GRS - A - 3637 · 2014. 9. 29. · GRS - A - 3637 Gesellschaft für Anlagen-und Reaktorsicherheit...

Erweiterung und Validierung von ARTM für den Einsatz als Ausbreitungsmodell in AVV und SBG

Forschungsvorhaben 3608S05005

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Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit(GRS) mbH

GRS - A - 3637

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Erweiterung und Validierung von ARTM für den Einsatz als Ausbreitungsmodell in AVV und SBG

Reinhard Martens Wenzel Brücher Cornelia Richter Florence Sentuc Martin Sogalla Harald Thielen

Februar 2012

Auftrags-Nr.: 854670

Anmerkung: Das diesem Bericht zu Grunde lie-gende FE-Vorhaben 3608S05005wurde im Auftrag des Bundesminis-teriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit durchgeführt. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Auftragnehmer.

Der Bericht gibt die Auffassung und Meinung des Auftragnehmers wie-der und muss nicht mit der Meinung des Auftraggebers übereinstimmen.

I

Kurzfassung

Das bisher in der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zu § 47 StrISchV (AVV) und in den Störfallberechnungsgrundlagen zu § 49 StrISchV (SBG) bei der Ausbreitungsrech-nung eingesetzte Gauß-Fahnenmodell soll mittelfristig durch ein Lagrangesches Parti-kelmodell ersetzt werden. Inzwischen steht das Atmosphärische Radionuklid-Transport-Modell (ARTM) zur Verfügung, mit dem die Ausbreitung betrieblicher Ablei-tungen aus kerntechnischen Anlagen simuliert werden kann. ARTM basiert auf dem für die Ausbreitung konventioneller Luftbeimengungen konzipierten Programmsystem AUSTAL2000 und wurde für die Ausbreitung luftgetragener radioaktiver Stoffe ange-passt und weiterentwickelt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens 3608S05005 wur-den Möglichkeiten zur Erweiterung von ARTM untersucht und soweit möglich im Pro-grammsystem umgesetzt. Die Arbeiten umfassen die Validierung und Bewertung von ARTM, die Durchführung technisch-wissenschaftlicher Modellerweiterungen und die Fortführung des Informations- und Erfahrungsaustauschs zwischen Nutzer und Ent-wickler. Insbesondere erfolgten eine Bewertung der Eignung des Modellansatzes in ARTM in Hinblick auf den Einsatz im Rahmen der SBG, die Bewertung und Validierung von ARTM zur Berücksichtigung des Einflusses typischer Gebäudestrukturen an KKW-Standorten und die Entwicklung und Implementierung von Modulen zur nachgeschalte-ten Berechnung dosisrelevanter Zerfallsprodukte und zur Dosisberechnung. Zur Fort-führung des Informations- und Erfahrungsaustauschs wurden eine Internet-Seite er-stellt und gepflegt, Fragen und Informationsrückläufe von Nutzern beantwortet und ausgewertet und ein gemeinsamer Workshop mit interessierten Anwendern von ARTM veranstaltet. Durch die Weiterentwicklung und Validierung ARTM wurde die Basis zur Nutzung des Modellsystems für Aufgaben im Rahmen der Anwendung von AVV und SBG ausgebaut. Durch die Fortführung der Arbeiten kann auch zukünftig das Nut-zungspotenzial des Modellsystems ARTM aufrechterhalten und verbessert werden.

II

III

Abstract

In the medium-term time scale the Gaussian plume model used so far for atmospheric dispersion calculations in the General Administrative Provision (AVV) relating to Sec-tion 47 of the Radiation Protection Ordinance (StrISchV) as well as in the Incident Cal-culation Bases (SGB) relating to Section 49 StrISchV is to be replaced by a Lagrangian particle model. Meanwhile the Atmospheric Radionuclide Transportation Model (ARTM) is available, which allows the simulation of the atmospheric dispersion of operational releases from nuclear installations. ARTM is based on the program package AUSTAL2000 which is designed for the simulation of atmospheric dispersion of non-radioactive operational releases from industrial plants and was adapted to the applica-tion of airborne radioactive releases. In the context of the research project 3608S05005 possibilities for an upgrade of ARTM were investigated and implemented as far as pos-sible to the program system. The work program comprises the validation and evalua-tion of ARTM, the implementation of technical-scientific extensions of the model system and the continuation of experience exchange between developers and users. In partic-ular, the suitability of the model approach for simulations of radiological consequences according to the German SBG and the representation of the influence of buildings typi-cal for nuclear power stations have been validated and further evaluated. Moreover, post-processing modules for calculation of dose-relevant decay products and for dose calculations have been developed and implemented. In order to continue the experi-ence feedback and exchange, a web page has been established and maintained. Questions by users and other feedback have been dealt with and a common workshop has been held. The continued development and validation of ARTM has strengthened the basis for applications of this model system in line with the German regulations AVV and SBG. Further activity in this field can contribute to maintain and improve the ap-plicability of ARTM also on the future.

IV

V

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ................................................................................................. 1

2 Aufarbeitung des für das Vorhaben relevanten Standes von

Wissenschaft und Technik ...................................................................... 6

2.1 Stand von Wissenschaft und Technik vor Aufnahme der Arbeiten ............. 6

2.2 Eignung des ARTM-Modellansatzes für die Berechnung von

Störfallauswirkungen ................................................................................. 8

2.2.1 Anwendungspraxis für Partikelmodelle zur Bewertung von

Störfallauswirkungen ................................................................................. 8

2.2.2 Erforderliche Anpassungen an ARTM ........................................................ 9

2.3 Beeinflussung des Strömungsfeldes durch Kühltürme unter

Berücksichtigung des jeweiligen Betriebszustandes ................................ 12

2.3.1 Auftretende Phänomene .......................................................................... 12

2.3.2 Regulatorische Vorgaben zur Berücksichtigung der

Gebäudeumströmung und der Fahnenüberhöhung ................................. 19

2.3.2.1 Gebäudeumströmung .............................................................................. 19

2.3.2.2 Fahnenüberhöhung ................................................................................. 21

2.3.3 Berücksichtigung der Gebäudeumströmung und der

Fahnenüberhöhung in Modellen .............................................................. 22

2.3.3.1 Fahnenüberhöhung nach TA Luft ............................................................ 22

2.3.3.2 Diagnostisches Strömungsmodell TALdia ................................................ 22

2.3.3.3 MISKAM .................................................................................................. 29

2.3.3.4 Prognostische Modelle mit Wärmebilanz ................................................. 31

2.4 Turbulenzparametrisierung ...................................................................... 36

3 Bewertung und Validierung von ARTM ................................................ 38

3.1 ARTM für den Einsatz nach SBG und Anpassung des

Programmsystems ................................................................................... 38

VI

3.1.1 Nutzung kürzerer Zeitintervalle für Emissionen und meteorologische

Bedingungen ........................................................................................... 38

3.1.2 Darstellungsmöglichkeiten zur Analyse einzelner

Ausbreitungssequenzen bei Störfallanalysen. .......................................... 40

3.2 Bewertung und Validierung des diagnostischen Strömungsmodells in

ARTM zur Berücksichtigung des Einflusses von Gebäudestrukturen

einschließlich Kühlturmbetrieb ................................................................. 41

3.2.1 Konzept der Strömungsfeldberechnung in AUSTAL2000 bzw. ARTM

und Problem der Übernahme prognostisch berechneter

Strömungsfelder ...................................................................................... 42

3.2.1.1 Modellauswahl für weiterführende Modelluntersuchungen ....................... 45

3.2.1.2 FDS-Rechnungen zur Kühlturm- und Gebäudeumströmung .................... 46

3.2.2 Beispielrechnungen mit TALdia ............................................................... 50

3.2.2.1 Freisetzung aus Lagergebäude ............................................................... 51

3.2.2.2 Kaminfreisetzung bei typischem Kernkraftwerk mit Kühlturm ................... 59

3.2.3 Abschließende Bewertung ....................................................................... 65

3.3 Bewertung der Verwendung flächendeckender Ergebnisfelder

numerischer Wettervorhersage (NWV)-Modelle anstelle

meteorologischer Daten nur einer Station ................................................ 66

3.4 Überarbeitung der in ARTM verwendeten Turbulenzparametrisierung ..... 67

3.4.1 Ausgangslage und Lösungsansätze ........................................................ 67

3.4.2 Testrechnungen mit verschiedenen Turbulenzparametrisierungen .......... 71

3.4.2.1 Jahreszeitreihenrechnungen .................................................................... 72

3.4.2.2 ARTM-Rechnungen für eine 24-stündige Episode ................................... 76

4 Technisch-wissenschaftliche Modellerweiterungen ........................... 79

4.1 Technisch-Wissenschaftliche Erweiterungen an ARTM ........................... 80

4.1.1 Maßnahmen zur Anpassung von ARTM für Störfallrechnungen ............... 80

4.1.2 Anpassung der Turbulenzparametrisierung in ARTM entsprechend

dem Diskussionsstand in der VDI-Arbeitsgruppe zur Revision von

VDI 3783, Blatt 8...................................................................................... 81

VII

4.1.3 Überprüfung der bei der Verwendung einer

Ausbreitungsklassenstatistik vorgegebenen repräsentativen Werte für

die Niederschlagsmengen ....................................................................... 82

4.1.4 Prüfung geeigneter Maßnahmen zur Verbesserung der

Rechenökonomie von ARTM ................................................................... 84

4.1.5 Berücksichtigung von Nukliden, die nicht in KTA 1503.1 enthalten sind

und die bei speziellen Anwendungen auftreten, weitere

Programmänderungen ............................................................................. 85

4.1.6 Erweiterung von GO-ARTM auf die Ausbreitung von Rn-222 unter

Berücksichtigung entstehender Tochternuklide und des

Gleichgewichtsfaktors .............................................................................. 86

4.1.7 Berücksichtigung mehrerer simultaner zeitabhängiger Quellen ................ 90

4.1.8 Benutzerfreundlichere und ausführlichere Gestaltung der Ein- und

Ausgabeprotokolle von ARTM-Läufen ..................................................... 90

4.2 Einbeziehung der anwenderfreundlichen Benutzeroberfläche GO-

ARTM in das Programmpaket .................................................................. 90

4.2.1 kml-Export der mit ARTM berechneten Konzentrations- und

Dosisverteilungen zur Übernahme in graphischen Darstellungen mit

topographischen Informationen ................................................................ 91

4.2.2 Tool zur Manipulation von dmna-Dateien ................................................. 91

4.2.3 Implementierung des Dosismodules DARTM ........................................... 91

5 Informations- und Erfahrungsaustausch ............................................. 95

6 Zusammenfassung ................................................................................ 96

7 Literatur .................................................................................................. 99

VIII

Verzeichnis der Anhänge

Anhang A ARTM-Modellbeschreibung

Anhang B ARTM-Programmbeschreibung

Anhang C ARTM-Workshop 24./25.10.2011

Protokoll mit Zusammenfassung der Ergebnisse

Anhang D Untersuchung von Möglichkeiten zur Verbesserung der aktuellen

Grenzschichtparametrisierung in AUSTAL2000 und ARTM

nach VDI 3783, Blatt 8 (2002)

Anhang E Anleitung zur Dosisberechnung mit DARTM Version 1.0

(Stand: Dezember 2011)

IX

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2-1 Schematische Darstellung von Fahnenbreiten bei kurzfristigen und länger

andauernden Freisetzungen (nach /RIN 82/ in /MIK 84/) ......................... 11

Abb. 2-2 Schematische Darstellung der in Luv und Lee eines frontal angeströmten

quaderförmigen Gebäudes auftretenden Wirbelstrukturen /HOS 84/ ....... 13

Abb. 2-3 Schematische Darstellung der an einem Kühlturm auftretenden

Wirbelstrukturen /RUB 04/ ....................................................................... 14

Abb. 2-4 Aufbau eines Naturzug-Nasskühlturms (Quelle Kernkraftwerk Gösgen

/KKG 09/) ................................................................................................. 16

Abb. 2-5 Strömung und Ausbreitung von Kaminfreisetzungen im Windkanal bei w/u

= 0,1, 0,95 und 2,7 (von links nach rechts /HUA 02/) ............................... 17

Abb. 2-6 Umströmung von Zylindern mit unterschiedlichem Verhältnis von Höhe l zu

Durchmesser d /KAW 84/ ......................................................................... 18

Abb. 2-7 Vorgaben in der TA Luft, Anhang 3, Nr.10, zur Berücksichtigung der

Bebauung (in Anlehnung an /LFU 04/) ..................................................... 20

Abb. 2-8 Bestimmung des diagnostischen Windfeldes in TALdia: Ausgangsfeld,

Rezirkulationsfeld, Kombination mit ungestörtem Feld, divergenzfreies

Ergebnis (von links oben nach rechts unten) /JAN 04/ ............................. 23

Abb. 2-9 Differenzen der Geschwindigkeitsfluktuationen bezüglich des

Anströmfeldes: CEDVAL-Datensatz A1-1 (oberste drei Reihen) und TALdia

(unten) /JAN 04/ ....................................................................................... 25

Abb. 2-10 Differenzen der Geschwindigkeitsfluktuationen bezüglich des

Anströmfeldes: CEDVAL-Datensatz A1-6 (oberste drei Reihen) und TALdia

(unten) /JAN 04/ ....................................................................................... 26

X

Abb. 2-11 Vergleich der Konzentrationsdaten zwischen Messung und Modell (unten

links MISKAM, recht AUSTAL) für Anströmung eines 16 m hohen, U-

förmigen Gebäudes aus 45° mit Quellort A (2 m über Dach) /FLA 07/ ...... 31

Abb. 2-12 Vergleich von Konzentrationsdaten zwischen Feldmessung und FDS in

Abhängigkeit von der Turbulenzparametrisierung /MOU 09/ ..................... 34

Abb. 2-13 Beispiel der in /CHA 03/ herangezogenen Windkanalexperimente mit

breiter Straßenschlucht (links) und Modellkorrelation von normierten

Konzentrationswerten für eine quadratische Straßenschlucht (rechts) ...... 35

Abb. 2-14 Mit FDS simulierte Verteilung der Rußwolke eines 5 MW Brandes in einer

Straßenschlucht bei unterschiedlicher Queranströmung /HU 09/ .............. 35

Abb. 2-15 Typische mit ARTM ermittelte Horizontalverteilung des Langzeit-

Washoutfaktors (horizontale Maschenweite Dx = 150 m, z0 = 0,5 m,

Freisetzungshöhe h = 170 m) mit Turbulenzparametrisierung nach VDI

3783, Blatt 8 /VDI 02/ ................................................................................ 36

Abb. 2-16 Mit ARTM ermittelte Horizontalverteilung des Langzeit-Washoutfaktors

(horizontale Maschenweite Dx = 150 m, z0 = 0,5 m, Freisetzungshöhe

h = 170 m) mit Turbulenzparametrisierung nach /BZU 00/ ........................ 37

Abb. 3-1 Kühlturmschwaden mit Doppelrotor in FDS: Isoflächen der Temperatur

(15 °C, links) und Strömungsmuster quer zur Anströmrichtung mit

Temperaturverteilung in Lee (rechts) ........................................................ 47

Abb. 3-2 FDS-Windfelder bei Umströmung eines Kühlturms in Betrieb: Schnitt in

150 m Höhe (links) und 50 m Höhe (rechts) mit farblicher Hervorhebung

der Strömungsgeschwindigkeit ................................................................. 48

Abb. 3-3 Vertikalschnitt in Strömungsrichtung bei CEDVAL Konfiguration A1-1:

Messdaten (oben) und Nachrechnung mit FDS5 (Mittelung über 5 min,

unten) ....................................................................................................... 49

XI

Abb. 3-4 Mit FDS 5 berechnete Standardabweichungen der Windgeschwindigkeit für

CEDVAL Konfiguration A1-1 in 7 m über Grund (0,28 H): parametrisierter

Anteil (oben) und vom Modell aufgelöster Anteil (unten) ........................... 50

Abb. 3-5 Lagergebäude (grünes Rechteck), Gebäudeumströmung mit TALdia, 2.

Netz, Maschenweite: 4 m Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, Emissionsrate:

1 Bq/s Kr85 ............................................................................................... 52

Abb. 3-6 Lagergebäude, Gebäudeumströmung mit TALdia, 4. Netz, Maschenweite:

16 m Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85................................. 53

Abb. 3-7 Lagergebäude, approximiert durch vertikale auf dem Boden aufsitzende

Flächenquelle 18 × 18 m², 2. Netz, Maschenweite: 4 m Diffusionskategorie

D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85 ........................................................................ 53

Abb. 3-8 Lagergebäude, approximiert durch vertikale auf dem Boden aufsitzende

Flächenquelle 18 × 18 m², 4. Netz, Maschenweite: 16 m

Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85 ......................................... 54

Abb. 3-9 Punktquelle in 22 m Höhe über Grund Rechengitter mit Maschenweite:

16 m wie in Abb. 3-6 bzw. Abb. 3-10 Rauhigkeitslänge z0 = 0.5m,

Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85 ......................................... 54

Abb. 3-10 Konzentrationsverteilungen im Lee eines Lagergebäudes für

Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85 Links: Approximation durch

Punktquelle; Mitte: Approximation durch vertikale Flächenquelle; Rechts:

Umströmung des Lagergebäudes mit TALdia ........................................... 55

Abb. 3-11 Konzentration unter der Fahnenachse für Diffusionskategorien A, D und F

................................................................................................................ 58

Abb. 3-12 Kernkraftwerk Isar: Lage des Kamins relativ zur CTBTO-Messstelle

//WIL 10/ .................................................................................................. 60

Abb. 3-13 Kernkraftwerk Isar: Anordnung zwischen Kamin und Kühlturm /WIL 10/; die

angegebene Windrichtung bezieht sich auf das Ende der CTBTO-

Messkampagne in den Abendstunden. .................................................... 60

XII

Abb. 3-14 KKI-CTBTO – Zeitlicher Verlauf der Emissionsraten (oben) sowie

gemessener und berechneter stündlich gemittelter Xe-133-

Konzentrationen am Messpunkt P3 ......................................................... 62

Abb. 3-15 Kernkraftwerk Isar: mit ARTM berechnete Konzentrationsverteilung im 5.

Rechennetz (Maschenweite 256 m) oben: mit Kühlturm, roter Pfeil weist

auf Kühlturm; unten: ohne Kühlturm ........................................................ 64

Abb. 3-16 Jahresrechnung Konzentration I131(organisch) mit 1 Bq/s, Emissionshöhe

100 m, horizontale Maschenweite 50 m, gradgenaue Windrichtung in

artm2000.akterm ...................................................................................... 73

Abb. 3-17 Jahresrechnung trockene Deposition I131(organisch) mit 1 Bq/s,

Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 50 m, gradgenaue

Windrichtung in artm2000.akterm ............................................................ 74

Abb. 3-18 Jahresrechnung nasse Deposition I131(organisch) mit 1 Bq/s,

Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 50 m, gradgenaue

Windrichtung in artm2000.akterm ............................................................ 75

Abb. 3-19 24-Stundenrechnung mit ARTM - nasse Deposition I131(organisch, 1Bq/s)

sowie Konzentration in Schicht k=8 (65..100m) und k=9 (100..150m);

Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 20 m, u10 = 2 m/s,

Westwind, kein Auswürfeln der Windrichtung aus 10°-Sektor, keine

Windscherung, Diffusionskategorie F, Niederschlag 2 mm/h ................... 78

Abb. 4-1: Verteilung stündlicher Niederschlagsmengen für den Standort Konrad aus

den Jahren 2002 bis 2006 ....................................................................... 83

Abb. 4-2 Zerfallsschema des Edelgases Rn-222 .................................................... 87

Abb. 4-3 Zeitliche Entwicklung des GGF (hier wegen der prozentualen Darstellung

als F bezeichnet) und der Konzentrationen der Radon-Folgeprodukte ohne

Deposition ................................................................................................ 88

XIII

Abb. 4-4 Schematischer Ablauf der Berechnung der Strahlenexposition mit den in

GO-ARTM integrierten Module ARTM und DARTM (Quelle: H.

Wildermuth, ARTM-Workshop 2011, BfS, siehe Anhang C) .................... 93

Abb. 4-5 Schematische Darstellung der Rechenabläufe in DARTM (Quelle:

H.Wildermuth, ARTM-Workshop 2011, BfS, siehe Anhang C) ................ 94

XIV

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3-1 Übersicht zu Modellanforderungen und Eigenschaften der Modelle

MISKAM, FOOT3DK und FDS .......................................................... 45

Tabelle 3-2 In den ARTM-Rechnungen verwendete Nuklide mit Emissionsraten . 71

Tabelle 4-1 Klassierung der Niederschlagsraten entsprechend /BMU 07/, Anhang

1, Tabelle 10 ..................................................................................... 82

Tabelle 4-2: Zusammenstellung der Anzahl der Fälle mit Niederschlag, des Mittel-

und Medianwertes sowie die zu überprüfenden repräsentativen

Niederschlagsmengen für die vier Niederschlagsklassen (Basis:

stündliche Niederschlagsmengen für den Standort Konrad aus den

Jahren 2002 bis 2006) ....................................................................... 84

1

1 Einleitung

Vor dem Hintergrund der fachlichen Überarbeitung und der Aktualisierung der Allge-

meinen Verwaltungsvorschrift zu § 47 StrISchV (AVV) /AVV 05/ und der Störfallbe-

rechnungsgrundlagen zu § 49 StrISchV (SBG /SBG 94/, /SBG 04/) gibt es Überlegun-

gen, das bisher in AVV und SBG vorgeschriebene Gauß-Fahnenmodell durch ein mo-

derneres Ausbreitungsmodell zu ersetzen. In diesem Zusammenhang wurde im Rah-

men eines abgeschlossenen Forschungsvorhabens (StSch 4443) ein Lagrangesches

Partikelmodell bereitgestellt, wie es im Rahmen der neuen Technischen Anleitung zur

Reinhaltung der Luft (TA Luft) vom 24. Juli 2002 /TAL 02a/ zum Einsatz kommt. In dem

diesbezüglichen Forschungsvorhaben StSch 4443 „Entwicklung, Validierung und Be-

reitstellung eines atmosphärischen Ausbreitungsmodells für luftgetragene radioaktive

Stoffe auf der Basis des Ausbreitungsmodells AUSTAL2000 der neuen TA-Luft“

/GRS 07/ wurde das für die Ausbreitung konventioneller Luftbeimengungen konzipierte

Programmsystem AUSTAL2000 /TAL 02b/ für die Ausbreitung luftgetragener radioakti-

ver Stoffe angepasst und weiterentwickelt (ARTM, Atmosphärisches Radionuklid-

Transport-Modell).

In der TA Luft einschließlich ihres Anhangs 3 „Ausbreitungsrechnung der Technischen

Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft)“ werden Vorgehensweise, Rechenverfah-

ren, Randbedingungen und Parameter zur Beurteilung der Ausbreitung betrieblicher

konventioneller Luftbeimengungen beschrieben. In diesem Zusammenhang ist festge-

legt, ein Lagrangesches Partikelmodell als Ausbreitungsmodell einzusetzen. Auf dieser

Grundlage wurde das modellgestützte Beurteilungssystem für den anlagenbezogenen

Immissionsschutz, AUSTAL2000, entwickelt.

In ARTM wurden u. a. Algorithmen zur Berücksichtigung der -Wolkenstrahlung (-

Submersion) sowie der nassen Deposition entwickelt und in den bestehenden Quell-

code der aktuellen Version von AUSTAL2000 implementiert. Zu Einzelheiten wird auf

die ARTM-Modellbeschreibung (Anhang A dieses Berichtes) verwiesen. Des Weiteren

wurden Schnittstellen zu Dosisberechnungen mit externen Dosismodellen realisiert.

2

Im Rahmen des Forschungsvorhabens StSch 4443 wurden für ARTM Modellannah-

men, technische Randbedingungen und Modellparameter festgelegt. Das entspre-

chende Programmsystem ARTM wurde entwickelt, verifiziert und validiert sowie wäh-

rend einer umfangreichen Testphase unter Beteiligung vieler Anwender aus verschie-

denen Institutionen erprobt. Zur Unterstützung der Modellanwender während der Test-

phase stand die von der GRS außerhalb des Forschungsvorhabens entwickelte an-

wenderfreundliche graphische Benutzeroberfläche GO-ARTM zur Verfügung.

Bei Testrechnungen wurde einerseits die Leistungsfähigkeit des Modellsystems ARTM

nachgewiesen. Andererseits ergaben sich während der Programmentwicklung seitens

der Programmentwickler sowie während der Testphase seitens der Modellanwender

Fragestellungen, Probleme und Wünsche, die eine Erweiterung und Validierung von

ARTM für den Einsatz als Ausbreitungsmodell in der AVV, in den SBG oder in den der-

zeit diskutierten Berechnungsgrundlagen für SEWD-Ereignisse nahelegen. Diese Er-

weiterungen betreffen u. a. eine Anpassung des Programmsystems auf Ausbreitungs-

situationen, bei denen nicht nur betriebliche Freisetzungen, sondern auch z.B. störfall-

bedingt kurzfristig freigesetzte luftgetragene radioaktive Stoffe betrachtet werden müs-

sen. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Einbeziehung eines den Ausbreitungs- und Ab-

lagerungsrechnungen nachgeschalteten Moduls zur Berechnung der Strahlenexpositi-

on.

Vor diesem Hintergrund wurden im Forschungsvorhaben 3608S05005 „Erweiterung

und Validierung von ARTM für den Einsatz als Ausbreitungsmodell in AVV und SBG“

eine Reihe von Teilaufgaben behandelt. Die Validierungen und Bewertungen betrafen

folgende Aspekte:

Der Ansatz zur Ausbreitungsmodellierung mit einem Partikelmodell in ARTM wurde

hinsichtlich seiner Eignung für den Einsatz in den Störfallberechnungsgrundlagen

(z. B. zur Bestimmung des Kurzzeitausbreitungsfaktors) bewertet und mit dem her-

kömmlichen Gauß-Fahnenmodell der SBG verglichen. Die in diesem Zusammen-

hang erforderlichen Programmänderungen an ARTM wurden umgesetzt. Dies be-

trifft vor allen Dingen die Herabsetzung des bisher auf eine Stunde festgelegten

minimalen Zeitintervalls für Emissionen und meteorologische Bedingungen. Der

Einfluss dieser Herabsetzung auf die Konzentrationsverteilungen wurde unter-

sucht. Weiterhin wurden verschiedene Möglichkeiten zur Störfallanalyse, soge-

nannter deterministischer bzw. probabilistischer Vorgehensweise, von Ausbrei-

3

tungssequenzen behandelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden in Ka-

pitel 3.1 präsentiert, eine Beschreibung der technischen Umsetzung findet sich in

Kapitel 4.1.1.

Das in ARTM integrierte, einfache Strömungsmodell TALdia zur Berücksichtigung

des Einflusses von Gebäudestrukturen wurde für typische Gebäudekonfigurationen

an deutschen KKW-Standorten und Emissionssituationen untersucht. Die Bewer-

tung bezog sich hauptsächlich auf den Kühlturmeinfluss abhängig vom Betriebszu-

stand. Die mit ARTM erzielten Ergebnisse wurden einerseits mit Ergebnissen an-

derer, komplexerer Vorschaltmodelle zur Simulation der Gebäudeumströmung

(z.B. mit dem mikroskaligen Strömungsmodell MISKAM oder einem vergleichbaren

prognostischen Strömungsmodell) verglichen. Andererseits wurden beim Vergleich

auch vereinfachte Modellansätze, wie ATRM Rechnungen mit Berücksichtigung

der Gebäudestruktur einzig über die Rauhigkeitslänge beziehungsweise Modellie-

rung mit herkömmlichem Gauß-Fahnenmodell von AVV und SBG, berücksichtigt.

(siehe Kapitel 3.2)

Die in ARTM standardmäßig vorgesehene Eingabe von Zeitreihen stündlich gemit-

telter meteorologischer Messdaten von nur einer Station im Untersuchungsgebiet

wird bei komplexer Geländestruktur bzw. bei großen Untersuchungsgebieten

(> 10 × 10 km²) problematisch, weil dies ihre Repräsentativität für das gesamte Un-

tersuchungsgebiet voraussetzt. Deshalb sollte ARTM für den Einsatz von Ergeb-

nisfeldern des numerischen Wettervorhersagemodells Lokal-Modell (LM) des DWD

angepasst werden. Dieser Arbeitspunkt erwies sich als mit vertretbarem Aufwand

nicht durchführbar. Nähere Erläuterungen finden sich in Kapitel 3.3.

Viele technisch-wissenschaftlichen Erweiterungen des Programmpaketes ARTM / GO-

ARTM wurden implementiert. Diese werden ausführlich in Kapitel 4 sowie der Pro-

grammbeschreibung (Anhang B dieses Berichtes) behandelt. Im Einzelnen sind dies:

Das Dosismodul DARTM zur flexiblen flächendeckenden Bestimmung der Strah-

lenexposition durch Inhalation, -Bodenstrahlung, - und -Submersion sowie der

Ingestion für die relevanten Personengruppen wurde während der Projektlaufzeit

vom BfS bereitgestellt. Dieses Dosismodul verwendet die ARTM Ergebnisdateien

als Eingangsgrößen. DARTM wurde in die Benutzeroberfläche GO-ARTM zur be-

nutzerfreundlichen Programmsteuerung, Ergebnisdarstellung und -auswertung in-

tegriert, siehe Kapitel 4.2.

4

Die Turbulenzparametrisierung der Richtlinie VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/, die in der

aktuellen Version unter bestimmten Bedingungen zu einer sternförmigen Vertei-

lung des Langzeit-Washoutfaktors führen kann, wurde diskutiert und angepasst.

Ausführliche Informationen dazu finden sich in Kapitel 3.4 und Kapitel 4.1.2.

Die Repräsentativität der in ARTM verwendeten Werte für die Niederschlagsmen-

gen bei Rechnungen auf der Basis von Ausbreitungsklassenstatistiken wurde un-

tersucht. Die Werte wurden angepasst und die Möglichkeit geschaffen, eigene re-

präsentative Niederschlagswerte anzugeben, siehe Kapitel 4.1.3.

Zur Verkürzung der Rechenzeit, die besonders bei komplexen Ausbreitungssituati-

onen sehr hoch wird, wurden Ansätze zum verteilten Rechnen untersucht. Zusätz-

lich wurden sogenannte NOSTANDARD Optionen eingeführt, mit denen Teile der

Berechnung ausgeschaltet bzw. die Ausgabe reduziert werden können (Kapi-

tel 4.1.5).

Die Nuklidliste wurde um einige Nuklide erweitert, die nicht in KTA 1503.1 enthal-

ten sind aber bei speziellen Anwendungen auftreten (Kapitel 4.1.5)

Die Berücksichtigung mehrerer simultaner zeitabhängiger Quellen wurde ermög-

licht (Kapitel 4.1.7)

Die Ein- und Ausgabeprotokolle von ARTM-Läufen wurden benutzerfreundlicher

und ausführlicher gestaltet, z.B. wird jetzt auf Formatfehler der Eingabedatei hin-

gewiesen (Kapitel 4.1.8)

Die anwenderfreundliche Benutzeroberfläche GO-ARTM wurde in das Programm-

paket aufgenommen und, wie bereits erwähnt, zur Einbindung des Dosismoduls

DARTM erweitert (Kapitel 4.2).

Zur Erhöhung der Effektivität der Erweiterungs- und Validierungsarbeiten wurden paral-

lel Informationen und Erfahrungen zwischen Programmentwickler und externen An-

wendern ausgetauscht (Kapitel 5). Zum einen erfolgte der Austausch über eine Inter-

net-Seite die zu diesem Zweck erstellt wurde1. Dort sind unter anderem die Kontaktda-

ten der Entwickler verlinkt und es werden die aktuellen Downloads des Programmpa-

ketes inklusive einer Modell- und Programmbeschreibung, einer FAQ-Liste und Pro-

1 http://www.grs.de/content/ausbreitungsmodellierung

5

gramm-Historie zur Verfügung gestellt. Zum anderen wurde zum Abschluss des Vor-

habens ein Workshop am BfS in Neuherberg veranstaltet (Anhang C dieses Berichtes).

Vor der Umsetzung der Validierungen und Erweiterungen wurde in diesem Eigenfor-

schungsvorhaben der aktuelle Stand von Wissenschaft und Technik recherchiert. Die-

ser Stand wird in Kapitel 2 aufbereitet dargestellt.

Durch die Erweiterungen wurde dieser aktuelle Stand von Wissenschaft und Technik in

ARTM umgesetzt. Dies bedeutet gegenüber den bisherigen Modellansätzen (Gauß-

Fahnenmodell) eine flexiblere und realitätsnähere Modellierung von Ausbreitungs- und

Ablagerungsprozessen.

Für die GRS trägt das Forschungsvorhaben zur Stärkung und Erweiterung der eigenen

wissenschaftlichen Kompetenzen sowie zum Know-How- und Know-Why-Transfer bei.

Ebenfalls bedingen die Erweiterungs- und Validierungsarbeiten die Verfügbarkeit fort-

schrittlicher Methoden und Analysewerkzeuge für künftige Aufgaben der GRS. Die Er-

gebnisse dieses Eigenforschungsvorhabens unterstützen die allgemeinen Bestrebun-

gen, die atmosphärische Ausbreitung und Ablagerung luftgetragener konventioneller

Luftschadstoffe sowie luftgetragener Radionuklide mit modernen Modellierungsansät-

zen auf eine einheitliche Basis zu stellen. Eine einheitliche Vorgehensweise bei kon-

ventionellen (AUSTAL2000) und radiologischen (ARTM) Anwendungen bietet eine ho-

he Rechtssicherheit für den Anwender. Die Simulation der atmosphärischen Ausbrei-

tung und Deposition mit einem fortschrittlichen Lagrangeschen Partikelmodell (in Kom-

bination mit einem Strömungsmodell und einer Turbulenzparametrisierung) für geneh-

migungsrechtliche Anwendungen gewährleistet gegenüber dem bisher verwendeten

klassischen Gauß-Fahnenmodell eine flexiblere und realitätsnähere Modellierung.

6

2 Aufarbeitung des für das Vorhaben relevanten Standes

von Wissenschaft und Technik

Zur inhaltlichen Vorbereitung der Bearbeitung der in Abschnitt 1 angegebenen Teilauf-

gaben wurde der für das Vorhaben relevante Stand von Wissenschaft und Technik

systematisch aufbereitet. Der vorliegende Bericht enthält die Ergebnisse dieser Aufar-

beitung und gliedert sich inhaltlich in folgende Abschnitte:

Darstellung des Standes von Wissenschaft und Technik vor Aufnahme der Arbei-

ten (Abschnitt 2.1)

Bewertung der Eignung des ARTM-Modellansatzes im Hinblick auf die Berechnung

von Störfallauswirkungen (Abschnitt 2.2)

Beeinflussung des Strömungsfeldes durch Kühltürme unter Berücksichtigung des

jeweiligen Betriebszustandes (Abschnitt 2.3):

Sichtung und Auswertung verfügbarer Studien und Ansätze, z.B. Windkanalunter-

suchungen (/ERN 83/, /ERN 84/), Kühlturmschwadenmodelle, z.B. von Schatz-

mann /SCH 84a, b/, Richtlinien VDI 3784, Blatt 1 und 2 (/VDI 86/, /VDI 90/), VGB-

Studie zur Anwendbarkeit des Windfeldmodells der AUSTAL2000 bei Kühltürmen

/VGB 06/; Überprüfung hinsichtlich Implementierungsmöglichkeiten.

Aufbereitung der Grundlagen für eine Überarbeitung der in ARTM verwendeten

Turbulenzparametrisierung (Abschnitt 2.4):

Die Anwendung der in der Richtlinie VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/, festgelegten Turbu-

lenzparametrisierung in den Programmsystemen AUSTAL2000 und ARTM hat in

der Vergangenheit in einigen Fällen zu unrealistisch schmalen Schadstofffahnen

mit entsprechenden räumlichen Verteilungen der bodennahen Konzentration sowie

der trocken und nass abgelagerten Stoffe geführt. Die Kommission Reinhaltung

der Luft im VDI und DIN hat eine VDI-Arbeitsgruppe eingerichtet, die eine Anpas-

sung der aus dem Jahr 2002 stammenden Richtlinie vornehmen soll.

2.1 Stand von Wissenschaft und Technik vor Aufnahme der Arbeiten

Das auf der TA Luft /TAL 02a/ und dem Programmpaket AUSTAL2000 /TAL 02b/ auf-

bauende und im Rahmen des Forschungsvorhabens StSch 4443 entwickelte Pro-

grammsystem ARTM /GRS 07/ zur Berechnung der Ausbreitung und der Deposition

7

freigesetzter luftgetragener radioaktiver Stoffe repräsentiert den Stand von Wissen-

schaft und Technik. Beide Programmsysteme sind ausführlich dokumentiert, transpa-

rent, nachvollziehbar, verifiziert und weitgehend validiert.

Das Programmpaket ARTM weist u. a. folgende wesentliche Merkmale auf:

Behandlung gängiger Radionuklide, die bei betrieblichen und störfallbedingten Ab-

leitungen aus kerntechnischen Anlagen in die Atmosphäre auftreten können (An-

lehnung an die in KTA 1503.1 /KTA 02/ enthaltene Nuklidliste). Dabei werden spe-

zielle chemisch-physikalische Formen dieser Radionuklide berücksichtigt, sofern

diese Eigenschaften auf Ausbreitung oder Deposition Einfluss haben. Ergänzt

wurden die chemisch-physikalischen Formen von Tritium, sofern sie unterschiedli-

ches Depositionsverhalten zeigen. Weiter hat der Anwender die Möglichkeit, nach-

träglich weitere Radionuklide über die externe Parameterdatei artm.settings

aufzunehmen.

Berechnung der atmosphärischen Ausbreitung sowie der trockenen und nassen

Deposition mit dem Lagrangeschem Partikelmodell nach Richtlinie VDI 3945,

Blatt 3 /VDI 00/ unter Berücksichtigung von Mehrfachquellen, unterschiedlichen

Quellgeometrien und instationären Emissionscharakteristiken

Berücksichtigung des radioaktiven Zerfalls während der Ausbreitung ohne Berück-

sichtigung des Aufbaus von Tochternukliden

Berechnung der -Wolkenstrahlung auf der Basis des in Richtlinie VDI 3945, Blatt 3

vorgeschlagenen Algorithmus in Anlehnung an die Definition des Ausbreitungsfak-

tors für -Submersion in /AVV 05/ sowie /SBG 94/ und /SBG 04/

Modellierung der atmosphärischen Turbulenz entsprechend Richtlinie VDI 3783

Blatt 8 /VDI 02/, wobei die den Turbulenzzustand in der Atmosphäre beschreiben-

den meteorologischen Eingabedaten auf der Grundlage eines Präprozessors aus

standardisierten meteorologischen Messdaten abgeleitet werden. Dies können

entweder Zeitreihen oder mittlere jährliche Häufigkeitsverteilungen der meteorolo-

gischen Parameter sein (4-dimensionale Ausbreitungsstatistiken).

Berechnung des Transportes der freigesetzten luftgetragenen Schadstoffe mit dem

mittleren Wind unter Berücksichtigung strukturierten Geländes (Geländehöhe und

Bodennutzung) bzw. Gebäudestrukturen auf der Basis des diagnostischen Strö-

mungsmodells TALdia

8

Bei Verwendung vierdimensionaler Häufigkeitsverteilungen oder Zeitreihen meteo-

rologischer Daten können flächendeckend Jahresmittelwerte ermittelt werden.

Die Verwendung von meteorologischen Zeitreihen erlaubt zusätzlich die flächen-

deckende Bestimmung von Maximalwerten auf Stunden- oder Tagesbasis. Die

Länge von Zeitreihen meteorologischer Daten und Emissionen ist, bei einem Zeit-

takt von einer Stunde, auf minimal 24 Stunden begrenzt.

Die Vegetationsperiode (Sommerhalbjahr, 01. Mai bis 31. Oktober) wird explizit be-

rücksichtigt.

Im Rahmen der Arbeiten zum Forschungsvorhabens StSch 4443 ergaben sich bei der

Entwicklung des Programmsystems ARTM seitens der Programmentwickler sowie

während der Testphase von externen Modellanwendern Fragestellungen, Probleme

und Wünsche nach zusätzlichen Funktionalitäten des Modellsystems. Insbesondere

konnten nicht alle Anregungen und Rückmeldungen aus der Testphase aufgegriffen

werden.

2.2 Eignung des ARTM-Modellansatzes für die Berechnung von Störfall-

auswirkungen

2.2.1 Anwendungspraxis für Partikelmodelle zur Bewertung von Störfall-

auswirkungen

Das Partikelmodell der VDI-RL 3945, Blatt 3 /VDI 00/ enthält keinerlei Einschränkun-

gen hinsichtlich der Anwendbarkeit für störfallbedingt freigesetzte luftgetragene Radio-

nuklide. Partikelmodelle werden im Rahmen der Kernreaktor-Fernüberwachung an

verschiedenen Kernkraftwerkstandorten in der Bundesrepublik Deutschland eingesetzt.

Beispielsweise werden in der niedersächsischen KFÜ-Zentrale für die Ausbreitungs-

und Dosisberechnungen an den Kernkraftwerkstandorten Grohnde, Unterweser und

Lingen bis zum Umkreis von 30 Kilometern zwei verschiedene Ausbreitungsmodelle

verwendet, ein so genanntes quasistationäres Gauß-Fahnenmodell für schnelle Be-

rechnungen sowie ein Lagrange-Partikelmodell für genauere Untersuchungen.

Das Programmsystem LASAIR (Lagrange-Simulation der Ausbreitung und Inhalation

von Radionukliden /WAL 06/) zur Lagedarstellung der Inhalationsdosis für die Zwecke

9

der nuklearspezifischen Gefahrenabwehr im Zusammenhang terroristisch motiviert

freigesetzter luftgetragener radioaktiver Stoffe basiert ebenfalls auf Ausbreitungs- und

Depositionsrechnungen mit einem Lagrange-Partikelmodell.

Auch im Ausland werden Partikelmodelle zur Modellierung von Ausbreitungsvorgängen

in städtisch bebautem Gelände eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist eine Modellkette, die

aus dem "städtischen“ Strömungsmodell QUIC-URB (Quick Urban and Industrial Com-

plex /SIN 08/) besteht, das auf dem von Röckle entwickelten diagnostischen CFD-

Modell /RÖC 90/ aufbaut. Mit dem nachgeschaltetem „städtischen“ Lagrange Partikel-

modell QUIC-PLUME werden Konzentrationsverteilungen berechnet, die sich bei-

spielsweise nach einer Freisetzung luftgetragener Schadstoffe nach einem Unfall oder

einem terroristischen Anschlag ergeben. Diese Modellkette wurde im Rahmen eines

Modellvergleichs erfolgreich untersucht /URB 08/, der auf der Basis der Messdaten des

so genannten Joint Urban 2003 Field Experiments durchgeführt worden ist. Das Joint

Urban 2003 Field Experiment ist eine gemeinsam vom U.S. Department of Defense

(Defense Threat Reduction Agency – DTRA) und vom U.S. Department of Homeland

Security finanzierte Messkampagne im Oklahoma City Central Busisness District vom

28.06.2003 bis 31.07.2003. In diesem Zeitraum wurden etwa 30 Ausbreitungsexperi-

mente mit halbstündigen Tracer-Gasfreisetzungen (SF6) in städtisch bebautem Gelän-

de durchgeführt und die resultierenden Konzentrationsverteilungen (Messhöhe: 3 m)

während der jeweils folgenden zwei Stunden aufgenommen (/ALL 06/, /HAN 09/).

Eine weitere Variante einer Modellkette, die ein Partikelmodell zur Ausbreitungsmodel-

lierung einsetzt, ist das Programmpaket Hazard Prediction and Assessment Capability

(HPAC) /DTR 08/. Es enthält mit der Modellkette MicroSwift-Spray ebenfalls ein ge-

koppeltes Modellsystem aus diagnostischem Strömungsmodell und Lagrangeschem

Partikel Modell /HAN 08/.

2.2.2 Erforderliche Anpassungen an ARTM

Vor dem Hintergrund eines Einsatzes von ARTM bei störfall- oder unfallbedingten Frei-

setzungen luftgetragener radioaktiver Stoffe (z. B. zur Bestimmung des Kurzzeitaus-

breitungsfaktors) stellt sich die Frage nach einer Umsetzbarkeit in dem Programmsys-

tem im Hinblick

10

auf den Einsatz von meteorologischen Zeitreihen und Emissionszeitreihen über ei-

nen Zeitraum von weniger als 24 Stunden,

auf eine Herabsetzung des bisher auf eine Stunde festgelegten minimalen Zeitin-

tervalls für Emissionen und meteorologische Bedingungen

sowie auf die Untersuchung des Einflusses kurzer Emissionszeiten auf die mit dem

Programmsystem berechneten Konzentrationsverteilungen.

ARTM verwendet - ebenso wie AUSTAL2000 - zur Berechnung der atmosphärischen

Ausbreitung das Partikelmodell PARMOD, das eine Umsetzung des in der Richtlinie

VDI 3945, Blatt 3 /VDI 00/, beschriebenen Partikelmodells darstellt. Dieses Programm

unterliegt grundsätzlich keinen Einschränkungen im Hinblick auf die zeitlichen Verläufe

der meteorologischen Eingangsdaten sowie des zeitlichen Emissionsverlaufs. Dem-

nach stellt eine Verkürzung des Zeitintervalls zur Darstellung zeitlich variabler Emissio-

nen und meteorologischer Bedingungen zunächst nur ein programmtechnisches Prob-

lem dar.

Allerdings muss dann auch eine Anpassung der in ARTM (ebenso wie in

AUSTAL2000) implementierten meteorologischen Grenzschichtprofile der Richtlinie

VDI 3783, Blatt 8, vorgenommen werden. Die in der Richtlinie dargestellten Vertikalpro-

file von Turbulenzparametern (Streuungen der turbulenten Windgeschwindigkeitsfluk-

tuationen u,v undw, Lagrangesche Korrelationszeiten bzw. turbulente Zeitskalen

TLu, TLv und TLw, Diffusionskoeffizienten Kx, Ky, Kz) sind nicht dazu geeignet, die atmo-

sphärische Turbulenz und die zugehörigen modellspezifischen Parameter für kurze

Freisetzungszeiten (z.B. bei explosionsbedingten Freisetzungen) zu beschreiben.

Vielmehr können die in der Richtlinie angegebenen Formeln nur herangezogen wer-

den, wenn Freisetzungen, die sich über den Zeitraum etwa einer Stunde erstrecken,

modellhaft abgebildet werden sollen. Längere Freisetzungszeiten werden durch eine

Aneinanderreihung quasistationärer Situationen behandelt. Bei kürzeren Emissions-

dauern wird die Breite der Fahne in der Regel überschätzt und der maximale Konzent-

rationswert unterschätzt.

Dies wird aus folgenden Überlegungen deutlich (Abb. 2-1): Eine kurzfristig freigesetzte

Schadstoffwolke bewegt sich auf Grund langsamer Windrichtungsschwankungen ent-

lang einer gekrümmten Trajektorie bei gleichzeitiger Vergrößerung durch turbulente

Diffusion. Das von der Schadstoffwolke beaufschlagte Gebiet hat die Gestalt eines

11

mäandrierenden Bandes, das mit zunehmender Quellentfernung breiter wird. Bei der in

/VDI 02/ dargestellten Parametrisierung für kontinuierliche Freisetzungen von etwa ei-

ner halben Stunde kann die resultierende Luftschadstofffahne durch Überlagerung vie-

ler aufeinander folgender Luftschadstoffwolken, die unterschiedlichen Trajektorien fol-

gen, approximiert werden. Das von der kontinuierlichen Freisetzung beaufschlagte Ge-

biet wird dann durch die Einhüllende all dieser mäandrierenden Bänder bestimmt und

weist eine größere Fahnenbreite auf als die mäandrierende Fahne einer einzelnen

Wolke. Hanna /HAN 82/ gibt eine auf Gifford /GIF 75/ zurückgehende empirische Ap-

proximation an, mit der die durch die lateralen Ausbreitungsparameter y ausgedrück-

ten Fahnenbreiten für unterschiedliche Freisetzungszeiten Ti mit 360 s < Ti < 3600 s

ineinander umgerechnet werden können:

( ⁄ )

Ähnliche Ansätze zur Berücksichtigung unterschiedlicher Mittelungs- oder Freiset-

zungszeiten werden auch in /JAN 00/, /BJO 98/ und /WIL 95/ angewendet.

Abb. 2-1 Schematische Darstellung von Fahnenbreiten bei kurzfristigen und län-ger andauernden Freisetzungen (nach /RIN 82/ in /MIK 84/)

Möglichkeiten einer Anpassung der Turbulenzparametrisierung der Richtlinie VDI 3783,

Blatt 8, für kurzfristige Freisetzungen sind auch Gegenstand der geplanten Überarbei-

tung dieser Richtlinie im Rahmen einer Arbeitsgruppe des VDI. Zielsetzung und Stand

der Arbeiten in dieser Arbeitsgruppe werden in Abschnitt 2.4 dargestellt.

12

2.3 Beeinflussung des Strömungsfeldes durch Kühltürme unter Berück-

sichtigung des jeweiligen Betriebszustandes

2.3.1 Auftretende Phänomene

Die Wind- und Ausbreitungsverhältnisse im Umfeld von Emittenten luftgetragener Ra-

dionuklide werden durch die topographische Struktur in Bezug auf Geländehöhe und -

nutzung (Rauhigkeitslänge) lokal geprägt. Neben der Topographie beeinflussen auch

Gebäude im näheren Umfeld der Quelle das lokale Strömungsbild und damit die Aus-

breitung. Während die Strömung in der Verdrängungszone auf der Luvseite von Ge-

bäuden abgebremst und umgelenkt wird, bilden sich im Lee oftmals Nachlaufwirbel

aus, in denen die Strömung gegen die Anströmung gerichtet ist. Weiterhin treten in

Gebäudenähe quer zur Anströmung orientierte Strömungskomponenten (vertikal und

lateral) auf, und zwar in der gleichen Größenordnung wie der das Gebäude anströ-

mende Wind. Abb. 2-2 zeigt schematisch am Beispiel eines einfachen quaderförmigen

Gebäudes die Vielfalt möglicher Wirbelformen (vortices), die bei der Umströmung auf-

treten können. So können im Lee von Gebäudestrukturen abwärtsgerichtete Luftströ-

mungen auftreten, die z.B. im Dachniveau freigesetzte luftgetragene Radionuklide ver-

stärkt in Bodennähe führen. Andererseits ist im Lee von Gebäuden sowohl durch die

Wirbelstrukturen am Fuß und am Oberrand des Bauwerks als auch durch den im Lee

durch das Gebäude selbst erzeugte Nachlaufwirbel (Rezirkulationszone) mit erhöhter

Turbulenz zu rechnen, die zu einem Ausgleich lokaler Konzentrationsgradienten oder -

mit anderen Worten - zu einer gleichmäßigen Durchmischung von luftgetragenen Ra-

dionukliden führt. Diese erhöhte Turbulenz bildet in der sich anschließenden Nachlauf-

zone eine interne Grenzschicht aus, die sich mit wachsender Entfernung vom Hinder-

nis abschwächt und wieder in die ungestörte Grenzschicht übergeht.

13

Abb. 2-2 Schematische Darstellung der in Luv und Lee eines frontal angeström-ten quaderförmigen Gebäudes auftretenden Wirbelstrukturen /HOS 84/

Nach /SCH 90/ kann die Länge der Rezirkulationszone hinter einem Gebäude LR in

Abhängigkeit von der Gebäudegeometrie (Länge L, Breite B und Höhe H) abgeschätzt

werden über

[( ⁄ ) ( ⁄ )] .

Geht man bei einem Kühlturm beispielsweise vereinfachend von einem Verhältnis von

Höhe zu mittlerem Durchmesser des Kühlturms von etwa 2 aus, so ergibt sich eine ho-

rizontale Erstreckung der Rezirkulationszone, die etwa der Kühlturmhöhe entspricht.

Bei breiteren Kühltürmen nimmt die horizontale Erstreckung der Rezirkulationszone im

Verhältnis zur Höhe nur geringfügig zu. Die vertikale Erstreckung der Rezirkulationszo-

ne ragt etwas über den oberen Rand des Gebäudes hinaus.

Die Strömungsverhältnisse bei einem Kühlturm (Abb. 2-3) werden im Vergleich zu ei-

nem quaderförmigen Bauwerk durch zwei zusätzliche Aspekte beeinflusst. Zum einen

fehlen auf Grund der Rotationssymmetrie des Kühlturmbauwerks scharfe vertikale

Kanten, so dass entsprechend orientierte Rotoren schwächer ausgeprägt sind. Zum

14

anderen ist zu berücksichtigen, dass die Strömung beim Betrieb eines Kühlturms zu-

sätzlich durch den thermischen Auftrieb der Kühlturmschwaden beeinflusst wird.

Abb. 2-3 Schematische Darstellung der an einem Kühlturm auftretenden Wirbel-strukturen /RUB 04/

Die sich abhängig von der atmosphärischen Schichtung und der Anströmgeschwindig-

keit mit annähernd horizontaler Achse seitlich an der Kühlturmkrone bildenden Wirbel

steigen mit dem Kühlturmschwaden in die Atmosphäre empor und sind für die weitere

Ausbreitung von Bedeutung. Sie werden in erster Linie vom thermischen Auftrieb im

Kühlturmschwaden angetrieben, bei ausreichender Anströmgeschwindigkeit jedoch

zusätzlich durch im Bereich der Kühlturmkante dynamisch gebildete Wirbel unterstützt.

Die im Zentrum solcher Doppelwirbel auftretenden aufwärts gerichteten Vertikalge-

schwindigkeiten können bis etwa 5 m/s erreichen /ERN 83/, während die abwärts ge-

richteten Geschwindigkeiten im Außenbereich eher in der Größenordnung von 1 m/s

liegen. Diese Wirbel führen zu einer normal zur Transportrichtung verlaufenden Se-

kundärströmung und verändern somit die Ausbreitungsbedingungen innerhalb des

Schwadens und in dessen Umgebung. Die bodennahe, hufeisenförmige Wirbelstruktur

gleicht weitgehend der Form, die auch bei einem quaderförmigen Gebäude auftritt (vgl.

Abb. 2-2 und Abb. 2-3).

Während bei geringer Windgeschwindigkeit der Bereich des ausströmendenden

Schwadens durch über den Randbereich einfließende Umgebungsluft eingeengt wird

/BAE 79/, bilden sich bei ausreichender Anströmgeschwindigkeit bereits im Kühlturm

zwei gegenläufige Wirbelbereiche in der aufsteigenden Luft aus (Abb. 2-3), die die

Ausbildung des Doppelwirbels im austretenden Kühlturmschwaden ebenfalls unterstüt-

zen. In diesem Fall ist der Austrittsbereich des Kühlturms weitgehend von der aufstei-

15

genden Luft ausgefüllt, so dass keine Umgebungsluft von oben in den Kühlturm ge-

langt. Bei hohen Windgeschwindigkeiten (> 10 m/s) wird der thermische Antrieb des

Doppelrotors durch die erhöhte Turbulenz der Rezirkulations- und Nachlaufzone rasch

abgebaut, so dass der Effekt des Kühlturmschwadens gegenüber der vom Gebäude

selbst erzeugten Strömungs- und Turbulenzstruktur vernachlässigbar ist.

Der Auftrieb in einem Naturzug-Nasskühlturm entsteht durch den Dichteunterschied

zur Umgebungsluft, der einerseits von der Erwärmung der Luft im Kühlturm und ande-

rerseits vom höheren Wasserdampfgehalt durch Verdunstung von Kühlwasser hervor-

gerufen wird. Dazu wird das Kühlwasser im unteren Bereich des Kühlturms von oben

auf eng stehende Rieselplatten gesprüht (siehe Abb. 2-4), an denen der fühlbare und

latente Wärmeübergang vom gebildeten Wasserfilm auf die seitlich bodennah in den

Kühlturm eintretende und vertikal zwischen den Rieselplatten aufsteigende Umge-

bungsluft erfolgt.

Der Mitriss von Tropfen mit der Luft wird durch Tropfenabscheider auf ein Minimum re-

duziert. Der Großteil der von der aufsteigenden Luft aufgenommenen Energie ist laten-

te Wärme (typischerweise im Bereich 70 -80 % /HAN 72/, /BRI 84/). Typische Flüssig-

keitsanteile im Schwaden durch Kondensation bis zum Austritt liegen bei 1 g/m³

/VDI 86/ (Tropfendurchmesser 1 – 10 µm) und liegen damit deutlich höher als der Mas-

senanteil von mitgerissenen Tropfen. Der zugehörige potenzielle relative Beitrag der la-

tenten Wärme zum Auftrieb des Kühlturmschwadens durch Kondensation liegt aller-

dings unter 10 % /BRI 84/. Abgeschwächt wird der Einfluss dadurch, dass nach dem

Austritt aus der Kühlturmöffnung nur ein kleiner Teil der mitgeführten Feuchte bei

Durchmischung mit der Umgebungsluft kondensieren kann und zudem die dabei frei-

werdende Kondensationswärme der weiteren Kondensation entgegenwirkt. Somit ist

die Schwadendynamik im Wesentlichen durch die mitgeführte fühlbare Wärme be-

stimmt.

16

Abb. 2-4 Aufbau eines Naturzug-Nasskühlturms (Quelle Kernkraftwerk Gösgen /KKG 09/)

Die durch die Schwadendynamik verursachte Turbulenz trägt zur weiteren Erhöhung

der atmosphärischen Turbulenz bei. Falls luftgetragene Radionuklide z. B. über den

Abluftkamin eines Kernkraftwerkes auf Grund der baulichen Anordnung in den Ein-

flussbereich der Sekundärströmung eines Kühlturmschwadens gelangen, können sie

am Rande des Schwadens nach unten transportiert werden und in der Mitte des Kühl-

turmschwadens mit diesem aufwärts steigen. Die höhere Turbulenzintensität im Kühl-

turmschwaden spielt eine wesentlich geringere Rolle als die Sekundärströmung im

Schwaden.

Nach Windkanaluntersuchungen in /NAG 88/ kann der Auftrieb im Zentrum des Dop-

pelrotors zu einer Erhöhung der effektiven Freisetzungshöhe von 50 – 80 % führen (je

nach Position des Kühlturms in Luv oder in Lee der Freisetzung aus einem Fortluftka-

min). Sind Fortluftkamin und Kühlturm bezüglich der in Ausbreitungsachse leicht seit-

lich zueinander versetzt, so kann die effektive Quellhöhe durch die abwärts gerichteten

Randbereiche des Kühlturmschwadens bis zu 25 % herabgesetzt werden. Dieser Ab-

senkungseffekt liegt in dem Größenbereich, der auch allein durch die abwärts gerichte-

17

te Strömung und erhöhte Turbulenz in der Rezirkulationszone eines nicht in Betrieb be-

findlichen Kühlturms hervorgerufen werden kann.

Bereits der Nachlaufbereich des Kamins selbst kann zu einem Herabmischen bzw. ei-

ner Verringerung der effektiven Quellhöhe gegenüber der Kaminhöhe führen, sofern

die Austrittsgeschwindigkeit w nicht höher als die Windgeschwindigkeit u in Kaminhöhe

ist. Diese Verringerung der effektiven Quellhöhe hängt vom Durchmesser des Kamins

ab und kann bei typischen Durchmessern 20 m oder mehr betragen /NAG 88/. In

Abb. 2-5 sind Ergebnisse von Windkanaluntersuchungen mit Laser-Doppler-

Messungen /HUA 02/ zusammengestellt, die den Übergang von geringen Freiset-

zungsgeschwindigkeiten mit Herabmischen (w/u < 1) über einen Übergangsbereich

(Fall w/u ≈ 1) bis zu einer nahezu unbeeinflussten Ausbreitung (w/u > 1) zeigen.

Abb. 2-5 Strömung und Ausbreitung von Kaminfreisetzungen im Windkanal bei w/u = 0,1, 0,95 und 2,7 (von links nach rechts /HUA 02/)

Abb. 2-6 zeigt schematisch die zugehörigen Strömungsmuster bei unterschiedlichen

Verhältnissen von Kaminhöhe zu Durchmesser aus /KAW 84/. Sie ähneln dem Strö-

mungsmuster hinter einem Kühlturm in Abb. 2-3 mit dem Unterschied, dass bei typi-

schen Dimensionen von Kaminen der Abwindbereich im Lee nur die Strömung um das

obere Schornsteinende beeinflusst und zusätzlich bei ausreichender Schornsteinhöhe

(l/d > 4) unterhalb dieses Bereichs zusätzlich alternierend ablösende Kármán'sche

Wirbel entstehen können. Letzteres setzt jedoch voraus, dass die kritische Reynolds-

zahl von 1 bis 2 · 105 unterschritten wird, was bei typischen Kamindurchmessern von

wenigen Metern nur bei wenigen m/s Anströmgeschwindigkeit der Fall ist. Typischer-

weise ist daher von einer superkritischen Strömungssituation mit einem chaotischen

turbulenten Nachlaufbereich im Lee eines Fortluftkamins auszugehen.

18

Abb. 2-6 Umströmung von Zylindern mit unterschiedlichem Verhältnis von Höhe l zu Durchmesser d /KAW 84/

Der klassische Ansatz /BRI 84/ zur Höhenkorrektur z' gegenüber der realen Kaminhöhe

geht bereits unterhalb von w/u = 1,5 von einer Verringerung der effektiven Quellhöhe

aus:

(

)

für

.

Neuere Windkanalexperimente nach /SNY 91/ zeigen jedoch, dass dieser Ansatz im

Bereich w/u > 0,3 deutlich konservativ ist. Auch bei diesen Untersuchungen ergeben

sich für den subkritischen Bereich relativ große Korrekturen um bis zu 2,5 Kamin-

durchmessern D, die aber eine geringe Relevanz für die Praxis haben, da der subkriti-

sche Bereich meist mit kleinen Kamindurchmessern verbunden ist und damit absolut

betrachtet nur kleine Höhenkorrekturen erfordert. Als geeignete Höhenkorrektur z‘ wird

in /SNY 91/ für den superkritischen Strömungsbereich folgender Ausdruck genannt:

(

)

für

.

19

2.3.2 Regulatorische Vorgaben zur Berücksichtigung der Gebäudeum-

strömung und der Fahnenüberhöhung

2.3.2.1 Gebäudeumströmung

Zur Modellierung der durch Kühlturmbauwerke beeinflussten Ausbreitungsverhältnisse

enthält Anhang 3 der TA Luft /TAL 02a/ gewisse Vorgaben. So wird in TA Luft, Anhang

3, Nr. 10, vorgeschrieben wie Einflüsse von Bebauung auf die Immission im Rechen-

gebiet zu berücksichtigen sind: „Beträgt die Schornsteinbauhöhe mehr als das 1,2-

fache der Gebäudehöhen oder haben Gebäude, für die diese Bedingung nicht erfüllt

ist, einen Abstand von mehr als dem 6-fachen ihrer Höhe von der Emissionsquelle,

kann in der Regel folgendermaßen verfahren werden:

a) Beträgt die Schornsteinbauhöhe mehr als das 1,7-fache der Gebäudehöhen,

ist die Berücksichtigung der Bebauung durch Rauigkeitslänge2 und Verdrän-

gungshöhe3 ausreichend.

b) Beträgt die Schornsteinbauhöhe weniger als das 1,7-fache der Gebäudehöhen

und ist eine freie Abströmung gewährleistet, können die Einflüsse mit Hilfe ei-

nes diagnostischen Windfeldmodells für Gebäudeumströmung berücksichtigt

werden.

Maßgeblich für die Beurteilung der Gebäudehöhen nach a) oder b) sind alle Gebäude,

deren Abstand von der Emissisonsquelle weniger als das 6-fache der Schornsteinbau-

höhe beträgt.“

Diese in der TA Luft vorgeschriebene Verfahrensweise fasst das nachfolgende Ablauf-

schema (Abb. 2-7) nochmals zusammen /LFU 04/:

2 Die Rauigkeitslänge z0 ist ein Maß für die Bodenrauigkeit des Geländes. Sie beträgt etwa 3 % bis 15 %

der tatsächlichen Höhe der Bodenunebenheiten /VDI 10/.

3 Als Verdrängungshöhe d0 wird die Höhe bezeichnet, um die die Vertikalprofile eines eindimensionalen

Grenzschichtmodells zur Berücksichtigung dichter Hindernisstrukturen am Erdboden (Bebauung, Be-

wuchs) nach oben verschoben werden. Es gilt näherungsweise d0 (= 6 z0)

20

Abb. 2-7 Vorgaben in der TA Luft, Anhang 3, Nr.10, zur Berücksichtigung der Bebauung (in Anlehnung an /LFU 04/)

Im Programmsystem AUSTAL2000 steht mit TALdia ein entsprechendes diagnosti-

sches Windfeldmodell zur Verfügung /JAN 04/4 ; TALdia ist auch Bestandteil des Pro-

grammsystems ARTM und kann unter den oben angegebenen Bedingungen zur Strö-

mungsfeldberechnung eingesetzt werden (siehe Abschnitt 2.3.3).

Gemäß Kapitel 4 der Störfallberechnungsgrundlagen zu § 49 StrISchV (SBG) /SBG 04/

ist eine Korrektur für Gebäudeeinflüsse nur notwendig, wenn die Emissionshöhe

He < (HG + lG) und die horizontale Quellposition weniger als 3lG vom Gebäude entfernt

ist. Dabei ist lG das Minimum der Gebäudebreite und der Gebäudehöhe HG ist. Ansons-

ten wird He abhängig von HG auf eine neue Höhe h' reduziert:

a) ( ( ))

b)

Ist h' kleiner als lG/2, so wird zusätzlich eine Verbreiterung der Ausbreitungsparameter

x und z abhängig von lG vorgenommen, die auf /YAN 66/ zurückgeht und so auch in

der entsprechenden amerikanischen Richtlinie /NRC 77/ zu finden ist. Die Festlegun-

4 In /JAN 04/ wird das diagnostische Windfeldmodell TALdia noch mit TALdiames bezeichnet.

Schornsteinbauhöhen > 1,2-fache Gebäudehöhen

Schornsteinbauhöhen > 1,7-fache Gebäudehöhen

Abstand Quelle - Gebäude> 6-fache Schornsteinbauhöhe

AUSTAL2000Berücksichtigung über z0, d0

(TA Luft, Anhang 3 Nr. 10 a)

AUSTAL2000Berücksichtigung über

diagnostisches Strömungsmodell TALdia

(TA Luft, Anhang 3 Nr. 10 b)

nicht geregelt(Einsatz besser geeigneter

Strömungsmodelle)

nein

ja

ja

ja

nein

nein

21

gen zum Gebäudeeinfluss in der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zu § 47 StrISchV

(AVV) /AVV 05/ lauten analog.

2.3.2.2 Fahnenüberhöhung

Die Fahnenüberhöhung für Ableitungen über Kamine in /VDI 85/ enthält empirische

Gleichungen für die Fahnenüberhöhung von „warmen Quellen“ nach Briggs /BRI 71/

und „kalte Quellen“, bei denen die Überhöhung durch den Austrittsimpuls (Freistrahl)

dominiert wird. Auch in der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zu § 47 StrISchV (AVV)

/AVV 05/ ist die Berücksichtigung beider Effekte vorgeschrieben, ohne jedoch Modell-

gleichungen hierfür festzulegen. Im Gegensatz dazu ist in Kapitel 4 der Störfallberech-

nungsgrundlagen zu § 49 StrISchV (SBG) /SBG 04/ nur eine Berechnung der ther-

misch bedingten Fahnenüberhöhung ähnlich wie in /VDI 85/ festgelegt.

In der TA-Luft, Anhang 3 finden sich unter Nr. 6 Informationen zur Festlegung der ef-

fektiven Quellhöhe. Normalerweise soll ein Verfahren gemäß Richtlinie VDI 3782, Blatt

3 /VDI 85/ zur Berechnung der Quelltermüberhöhung herangezogen werden. Bei der

Abgasfahnenüberhöhung von Kühltürmen wird allerdings auf Richtlinie VDI 3784 Blatt

2 „Ableitung von Rauchgasen über Kühltürme“ /VDI 90/ verwiesen. In dieser wird ein

Integralmodell für die Abgasfahnenüberhöhung von Kühltürmen auf der Basis von

/SCH 84a/ und /SCH 84b/ beschrieben. Bei dieser Art Modell werden die differentiellen

Erhaltungsgleichungen für Masse, Konzentration, Impuls und Wärmeenergie entlang

der Fahnenachse in radial über Ähnlichkeitsprofile integrierter Form numerisch gelöst.

Damit ist diese Richtlinie auch für feuchte Ableitungen und große Austrittsflächen ge-

eignet und berücksichtigt den Downwash im Lee des Kühlturms.

Die hier beschriebenen Modellansätze bieten nur vereinfachte Lösungsansätze für ein-

fache Geometrien und beschränkte Bereiche möglicher Quellpositionen. Um mit weni-

ger Einschränkungen Ausbreitungsrechnungen durchführen zu können, werden daher

komplexere Modellansätze benötigt, deren Möglichkeiten und verbleibenden Be-

schränkungen im Folgenden näher beschrieben werden. Dabei werden folgende Mo-

delle genauer beleuchtet:

das diagnostische Modell TALdia mit zugehörigem Turbulenzmodul,

das prognostische, mikroskalige, nichthydrostatische Modell MISKAM und

22

prognostische Modelle mit expliziter Berücksichtigung der Wärmebilanz

(FOOT3DK und FDS).

2.3.3 Berücksichtigung der Gebäudeumströmung und der Fahnenüberhö-

hung in Modellen

2.3.3.1 Fahnenüberhöhung nach TA Luft

Die Überhöhung von Quellen wird in AUSTAL2000 entsprechend der TA Luft entweder

für Kühltürme gemäß Richtlinie VDI 3784, Blatt 2 /VDI 90/ über das zugehörige Modell

VDISP extern berechnet oder ansonsten intern gemäß Richtlinie VDI 3782, Blatt 3

/VDI 85/ bestimmt. Der Verlauf des Fahnenanstiegs mit der Entfernung bzw. mit der

Zeit wird im Modell über eine exponentiell abnehmende Zusatzgeschwindigkeit der

Partikel angenähert.

2.3.3.2 Diagnostisches Strömungsmodell TALdia

Um die Strömung und Ausbreitung in der Nähe von Gebäuden abbilden zu können,

werden komplexe dreidimensionale diagnostische oder prognostische Modelle ver-

wendet. Das diagnostische Standardwindfeldmodell TALdia (bzw. TALdiames) des

Programmsystems AUSTAL2000 /JAN 04/ wurde zunächst nur für die Berücksichti-

gung von Gelände entwickelt. Bei Testrechnungen mit dem ursprünglich für die Richtli-

nie VDI 3783, Blatt 10 (diagnostisches mikroskaliges Windfeldmodell für Gebäudeum-

strömung) vorgesehenen und später zurückgezogenen Windfeldmodell DMW zeigten

sich Abhängigkeiten der berechneten Windfelder von der Gebäudeorientierung zum

Modellgitter /JAN 03/. Da sich außerdem mit dem Modell DMW auch bei angekoppeltem

Ausbereitungsmodell LASAT im Gegensatz zu der Kombination aus prognostischem

Strömungsmodell MISKAM (siehe weiter unten) und LASAT systematische Abwei-

chungen von Ausbreitungsexperimenten im Windkanal ergaben /JAN 03/, wurde ent-

schieden, das Standardmodell für Gelände auf Basis des Modellansatzes im kommer-

ziellen LASAT-System für Gebäudeumströmungen weiterzuentwickeln und zu validie-

ren.

23

Die Berücksichtigung von Gebäuden erfolgt bei TALdia durch ein Korrekturfeld, das an

ein elektrisches Feld angelehnt ist, welches von virtuellen homogenen Flächenladun-

gen an den windabgewandten Gebäudeflächen hervorgerufen wird. Dieses Ausgangs-

feld wird über den ungestörten Windvektor zum Rezirkulationsfeld skaliert und be-

schnitten und nach Addition mit dem ungestörten Windfeld iterativ divergenzfrei ge-

rechnet (Abb. 2-8). Um einen Rotor mit horizontaler Achse nur auf der Vorderseite des

Gebäudes zu erzeugen (hier hervorgerufen durch das Windprofil der Prandtlschicht)

wird das ungestörte Windfeld im Nachlaufbereich durch vertikale Mittelung vor der

Feldaddition und Divergenz-Eliminierung rotationsfrei gemacht. Die Standardparameter

der Einzelschritte sind so festgelegt, dass sich eine gute Übereinstimmung mit typi-

schen Umströmungsmustern von Gebäuden ergibt, die unabhängig von der Orientie-

rung des Gebäudes zum Modellgitter und der Unterteilung des Gebäudes in Einzelblö-

cke ist /JAN 04/. Die Validierung der Strömungsfelder erfolgte u. a. anhand von

CEDVAL5-Datensätzen gemäß VDI 3783, Blatt 9 /VDI 05/.

Abb. 2-8 Bestimmung des diagnostischen Windfeldes in TALdia: Ausgangsfeld, Rezirkulationsfeld, Kombination mit ungestörtem Feld, divergenzfreies Ergebnis (von links oben nach rechts unten) /JAN 04/

5 CEDVAL (Compilation of Experimental Data for Validation of Microscale Dispersion Models) ist eine Da-

tenbank des Environmental Wind Tunnel Laboratory des Meteorologischen Instituts der Universität

Hamburg. Die umfangreichen CEDVAL-Datensätze wurden aus Windkanalversuchen mit verschiede-

nen Gebäudeanordnungen gewonnen und stehen zur Validierung von numerischen Stzrömungs- und

Ausbreitungsmodellen zur Verfügung (http://www.mi.uni-hamburg.de/CEDVAL-Valid.427.0.html).

http://www.mi.uni-hamburg.de/CEDVAL-Valid.427.0.html

24

Um neben den Turbulenzprofilen des ungestörten Windfeldes auch die zusätzlich

durch das Gebäude erzeugte Turbulenz nachzubilden, wird diese im Nachlaufbereich

durch eine Kombination aus Korrekturfeld und vertikal gemitteltem ungestörten Wind-

feld parametrisiert. Auch für diesen Modellansatz wurden die Parameter des Verfah-

rens durch Vergleich mit experimentellen Daten hin zu Standardwerten optimiert. Den-

noch zeigen die Vergleiche mit den CEDVAL-Datensätzen, dass zwar die Größenord-

nung der vom Gebäude erzeugten Zusatzturbulenz durch diese Parametrisierung ge-

troffen wird, nicht aber die Struktur (räumlich und Komponentenaufteilung) /JAN 04/.

Um das zu illustrieren ist in Abb. 2-9 beispielhaft die Simulation eines senkrecht ange-

strömten quaderförmigen Gebäudes einem entsprechenden CEDVAL-Datensatz ge-

genübergestellt. An den seitlichen Rändern des Gebäudes, wo eine starke Scherung

des mittleren Windfeldes besteht, wurden starke Turbulenzbereiche gemessen, die von

dem vereinfachten, an den Nachlaufbereich gekoppelten Modellansatz nicht wiederge-

geben werden können. Ähnliche Abweichungen ergeben sich damit natürlich auch im

dachnahen Bereich. Dies ist mit ein Grund für die Einschränkung der Anwendbarkeit

des Modells auf Quellhöhen oberhalb der 1,2-fachen Gebäudehöhe.

25

Abb. 2-9 Differenzen der Geschwindigkeitsfluktuationen bezüglich des Anström-feldes: CEDVAL-Datensatz A1-1 (oberste drei Reihen) und TALdia (un-ten) /JAN 04/

Betrachtet man den Fall eines um 45° gedrehten Gebäudes (CEDVAL-Datensatz A1-6,

Abb. 2-10), so reduzieren sich die Unterschiede zwischen Messung und Modell etwas,

da hier der Abstand zwischen dem seitlichen Bereich starker Windscherung und dem

Nachlaufbereich geringer ist. Bei einem Kühlturm ist auf Grund der fehlenden Kanten

eine noch bessere Übereinstimmung zwischen Modell und Realität zu erwarten. In

/JAN 04/ werden nur Messdaten im Lee eines Kühlturms mit Modellergebnissen vergli-

chen, wodurch sich diese Vermutung weder bestätigen noch widerlegen lässt. Für den

Bereich der oberen Kühlturmkante sind allerdings dieselben Probleme wie bei einem

quaderförmigen Gebäude zu erwarten.

26

Abb. 2-10 Differenzen der Geschwindigkeitsfluktuationen bezüglich des Anström-feldes: CEDVAL-Datensatz A1-6 (oberste drei Reihen) und TALdia (un-ten) /JAN 04/

Die Schwierigkeiten des Modells im Dachbereich zeigen sich auch bei Vergleichen

zwischen Konzentrationsmessungen im Windkanal mit Modellergebnissen von

AUSTAL2000 in Verbindung mit TALdia, vor allem bei Dachquellen auf hohen Gebäu-

den bzw. niedrigen Verhältnissen von Quellhöhe zu Gebäudehöhe. Während für ande-

re Konfigurationen das Modellsystem die gemessenen bodennahen Konzentrationen

tendenziell eher überschätzt, wird bei der Dachquelle das Herabmischen durch Wind-

feld und Turbulenz vom Modell bei einigen Anströmrichtungen eher unterschätzt

/JAN 04/. Bei der Anwendung des Modells auf die Konfiguration aus einem Kühlturm

und einem 340 m entfernten etwa gleich hohen Kamin zeigt das Modell eine gute

27

Übereinstimmung mit gemessenen Positionen und Amplituden des zugehörigen Kon-

zentrationsmaximums /JAN 04/.

Bei kerntechnischen Anlagen – insbesondere bei Kernkraftwerken – sind die Bedin-

gungen für den Einsatz des in Abschnitt 2.3.2.1 unter b) angesprochenen diagnosti-

schen Windfeldmodells TALdia für Gebäudeumströmung häufig nicht erfüllt. Beispiels-

weise weisen die Abluftkamine von Kernkraftwerken oftmals Bauhöhen auf, die im glei-

chen Höhenbereich liegen wie benachbarte Kühlturmbauwerke. Darüber hinaus sind

die beiden Bedingungen

Freisetzungshöhe > 1,2-fache der Gebäudehöhen und

Abstand zwischen Freisetzungsort und Gebäude > 6-fache Gebäudehöhe

für den Einsatz des diagnostischen Strömungsmodells TALdia im Falle störfall- oder

unfallbedingter Radionuklidfreisetzungen über Gebäudeöffnungen in der Regel nicht

erfüllt. Eine ähnliche Situation ergibt sich bei konventionell befeuerten Kraftwerken.

Oftmals sind hier die Bedingungen für den Einsatz des diagnostischen Windfeldmo-

dells TALdia ebenfalls nicht gegeben, da sich entweder die Kaminhöhen und die Hö-

hen benachbarter Bauwerke im gleichen Höhenbereich bewegen oder die Rauch-

gasableitung direkt über Kühltürme erfolgt.

Bei der Anwendung des Modells TALdia auf die Konfiguration aus einem Kühlturm und

einem 340 m entfernten etwa gleich hohen Kamin zeigt das Modell nach /JAN 04/ eine

gute Übereinstimmung mit gemessenen Positionen und Amplituden des zugehörigen

Konzentrationsmaximums /JAN 04/.Um eine solche Aussage systematisch zu untersu-

chen, wurde im Rahmen eines VGB-Forschungsprojektes /VGB 06/ anhand verfügba-

rer Windkanaldaten von insgesamt 10 Kraftwerksstandorten geprüft, ob das diagnosti-

sche Windfeldmodell TALdia des Programmsystems AUSTAL2000 auch außerhalb

des in Anhang 3 der TA Luft genannten Anwendungsbereiches (Quellhö-

he / Gebäudehöhe > 1,2) eingesetzt werden kann. In der VGB-Studie wurden unter Be-

rücksichtigung der jeweiligen dreidimensionalen Gebäudestrukturen der Kraftwerke mit

AUSTAL2000 Ausbreitungsrechnungen für einzelne meteorologische Situationen

durchgeführt. Die meteorologischen Verhältnisse (Turbulenzverhältnisse bzw. atmo-

sphärische Schichtung, Windrichtung und Windgeschwindigkeit) wurden dabei ent-

sprechend den jeweiligen Windkanalversuchen gewählt. Insgesamt wurden 11 Fälle

mit Rauchgasableitung über Kühltürme und 4 Fälle mit Kaminableitung untersucht.

28

Prinzipiell lassen sich nur die Fälle mit Kaminableitung mit der Situation an Kernkraft-

werken vergleichen, weil bei deutschen Kernkraftwerken die Abluft nicht über Kühltür-

me abgeleitet wird. Bei zwei der untersuchten Kraftwerke mit Kaminableitung sind die

Bedingungen für den Einsatz des diagnostischen Windfeldmodells TALdia für Gebäu-

deumströmung erfüllt.

Die Autoren der VGB-Studie benutzen als Bewertungskriterium für die Frage, ob das

diagnostische Windfeldmodell TALdia auch außerhalb des in Anhang 3 der TA Luft ge-

nannten Anwendungsgebietes eingesetzt werden kann, die Übereinstimmung zwi-

schen mit AUSTAL2000 berechneten und im Windkanal gemessenen Bodenkonzentra-

tionen. In diesem Zusammenhang betonen die Autoren, dass die im Windkanal ge-

messenen Werte nicht exakt die Verhältnisse in der Natur wiedergeben. Die Windka-

nalversuche hätten nicht der Erhebung von Validierungsdaten für Ausbreitungsmodelle

gedient, sondern seien im Rahmen von Genehmigungsverfahren durchgeführt worden,

bei denen die bekannten Unsicherheiten durch pessimistische Annahmen kompensiert

worden sind, um eine Unterschätzung der ermittelten Verstärkungsfaktoren6 zu ver-

meiden. Wenn also die mit TALdia/AUSTAL2000 berechneten Bodenkonzentrationen

kleiner als die im Windkanal gemessenen wären, dann sei dies nicht zwingend als

schlechte Übereinstimmung zu bewerten.

In der Zusammenfassung der Studie wird festgestellt, dass vor dem Hintergrund der

Vielzahl der Unsicherheiten - sowohl bei den Windkanalversuchen als auch bei den

Modellrechnungen - die Übereinstimmung zwischen den Messungen im Windkanal und

den Modellrechnungen mit dem Programmsystem AUSTAL2000 sehr gut ist. Dabei be-

findet sich die Mehrzahl der untersuchten Fälle hinsichtlich des Höhenverhältnisses

von Quelle und Strömungshindernis außerhalb des in der TA Luft Anhang 3 dokumen-

tierten Anwendungsbereiches diagnostischer Windfeldmodelle. In der VGB-Studie

wurde kein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Verhältnis aus Quellhöhe und

Gebäudehöhe einerseits und dem Grad der Übereinstimmung zwischen Rechnung und

Messung andererseits festgestellt. Auffällig ist, dass die untersuchten Fälle mit Schorn-

steinableitung (unabhängig vom Verhältnis Quellhöhe / Gebäudehöhe) tendenziell eine

schlechtere Übereinstimmung aufweisen als die Fälle mit Kühlturmableitung. Im Ver-

6 Verstärkungsfaktoren beschreiben die Erhöhung der Konzentrationen im Umfeld der Anlage durch die

die Luftströmung störende Wirkung von Gebäuden und/oder Geländeunebenheiten. Verstärkungsfakto-

ren werden gewöhnlich aus Windkanaluntersuchungen abgeleitet.

29

gleich zu den berechneten Bodenkonzentrationen liegen die im Windkanal gemesse-

nen Maxima in geringerer Entfernung und weisen höhere Werte auf.

Die Autoren der VGB-Studie sehen auf Grund der Untersuchungsergebnisse keine

Notwendigkeit, an der Kalibrierung des Windfeldmodells TALdia Änderungen vorzu-

nehmen. Vor dem Hintergrund der Ergebnisse der VGB-Studie wurden Rechnungen

mit ARTM am Standort des Kernkraftwerkes Isar durchgeführt, über die in Ab-

schnitt 3.2.2.2 berichtet wird.

Ein weiter gehender Ansatz zur Nutzung von TALdia für Kühlturmumgebungen wird in

/NIE 07/ beschrieben. Dazu wird zusätzlich zu dem mit dem diagnostischen Modell

lprwnd (ähnlich TALdia) des Partikelmodells LASAT erzeugten Strömungsfeld um ei-

nen Kühlturm das Strömungsfeld eines Kühlturmfahnen-Doppelrotors auf Basis des

Modells VDISP (siehe Abschnitt 2.3.3.1) erzeugt. Anschließend werden beide (diver-

genzfreie) Felder addiert. In /NIE 07/ wird eine Beispielanwendung dieser Technik mit

plausiblen Ergebnissen gezeigt. Ein systematischer Vergleich solcher Rechnungen mit

Messungen fehlt jedoch. Der Ansatz hat somit das Potenzial, über die Skalierung der

Ausgangsfelder für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten mit vertretbarem Aufwand

Jahresrechnungen zur Ausbreitung in der Nähe von Kühltürmen in Betrieb durchzufüh-

ren, eine Bewertung der Belastbarkeit der Ergebnisse ist jedoch auf dieser Basis nicht

möglich.

2.3.3.3 MISKAM

Sind die Bedingungen für die Anwendbarkeit des in Kapitel 2.3.2.1 unter b) angespro-

chenen diagnostischen Windfeldmodells für Gebäudeumströmung (hier TALdia) nicht

gegeben, sollten grundsätzlich besser geeignete Modelle zur Berechnung des Strö-

mungsfeldes eingesetzt werden. So sind die auf dem vollständigen Satz hydrodynami-

scher Grundgleichungen basierenden sogenannten nichthydrostatischen mikroskaligen

Strömungsmodelle den diagnostischen Strömungsmodellen grundsätzlich überlegen

/HEL 99/. Der Modelltyp nichthydrostatischer mikroskaliger Strömungsmodelle ist in der

Lage, komplexe synergetische Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen Variab-

len (z. B. Wind, Feuchte, Strahlung, Radionuklidkonzentration) und den Oberflächen-

strukturen der Gebäude zu simulieren. Die relevanten Wechselwirkungsmechanismen

betreffen hier turbulente Transporte und Wärmeübergänge zwischen der Luft und den

30

jeweiligen Gebäudeoberflächen. Ein typischer Vertreter solcher Modelle ist das prog-

nostische mikroskalige Modell MISKAM (/EIC 88/, /EIC 07/).

MISKAM enthält Bilanzgleichungen für Impuls (Bewegungsgleichungen in Boussinesq-

Approximation), Masse (Kontinuitätsgleichung) und Energie (Wärmegleichung), die in

einem rechtwinkligen Gitter zeitlich integriert werden. Turbulente Abweichungen von

den mittleren Modellgrößen werden über zwei zusätzliche Bilanzgleichungen der turbu-

lenten kinetischen Energie E und der Energiedissipation parametrisiert (E--

Schließung). Mit diesem Modellansatz ist es grundsätzlich möglich, die Wind- und Tur-

bulenzfelder für beliebige Gebäudekonfigurationen realitätsnah zu simulieren. Aller-

dings können die Auswirkungen von Freisetzungen in die Modellatmosphäre auf das

Wind- und Turbulenzfeld nur in Form eines Freistrahls, nicht aber in Form von Wärme-

quellen berücksichtigt werden.

Nach Eichhorn liefert die Validierung von MISKAM mit CEDVAL-Datensätzen gemäß

VDI 3783, Blatt 9 /VDI 05/ deutlich bessere Resultate als das diagnostische Modell

TALdia /EIC 07/. So ist beispielsweise die Trefferquote für die drei Windkomponenten

bei MISKAM im Schnitt um fast 20 % höher als bei TALdia.

Inwieweit sich die Modellunterschiede auf die Ausbreitung von Freisetzungen auswir-

ken, ist in /FLA 09/ zu erkennen. Dort wurden Berechnungen mit AUSTAL2000 zur

Umströmung eines U-förmigen Gebäudes und der Ausbreitung aus verschiedenen

Quellpositionen durchgeführt (wie bei /JAN 04/) und mit entsprechenden Berechnun-

gen von MISKAM verglichen. Generell zeigt sich bei MISKAM eine deutlich bessere

Korrelation zwischen Messdaten und Modelldaten der Konzentrationen als bei

AUSTAL 2000. In Abb. 2-11 ist dieser qualitative Unterschied an einem in /FLA 09/ und

/FLA 07/ wiedergegebenen Beispiel für ein 16 m hohes, U-förmiges Gebäude mit einer

Quelle 2 m über Dachniveau (Quellort A) gut zu erkennen. Bei einzelnen Konfiguratio-

nen, insbesondere bei hohen Gebäuden und bodennahen Quellen in Gebäudenähe,

nimmt bei MISKAM die Prognosequalität auf ein ähnliches Niveau wie bei

AUSTAL2000 ab /FLA 07/.

31

Abb. 2-11 Vergleich der Konzentrationsdaten zwischen Messung und Modell (un-ten links MISKAM, recht AUSTAL) für Anströmung eines 16 m hohen, U-förmigen Gebäudes aus 45° mit Quellort A (2 m über Dach) /FLA 07/

2.3.3.4 Prognostische Modelle mit Wärmebilanz

Während mit einem Modell wie MISKAM die Umströmung von Gebäuden und die

Ausbildung der zugehörigen Turbulenzfelder zwar realitätsnah berechnet werden kann,

führt das Fehlen prognostischer Gleichungen für die fühlbare Wärme und die Feuchte

in den Modellgleichungen jedoch dazu, dass die von einer Kühlturmfahne induzierten

Einflüsse auf das Strömungsfeld mit MISKAM nicht beschrieben werden können. Ge-

mäß den Ausführungen in Abschnitt 2.3.1 kann dabei auf die Berücksichtigung von

Feuchte eher verzichtet werden als auf die Bilanzgleichung für die fühlbare Wärme. Ei-

ne mögliche Vorgehensweise wäre es daher, die Strömungsverhältnisse in einem

Kühlturmschwaden mit einem prognostischen nichthydrostatischen Strömungsmodell

abzubilden, dass zumindest die Wärmebilanz der Atmosphäre in prognostischer Form

enthält.

32

Bei einem ähnlich gelagerten Problem wurde in einer gekoppelten Anwendung des

nicht-hydrostatischen prognostischen Modells FOOT3DK mit einem nachgeschalteten

Partikelmodell die Freisetzung und Ausbreitung abgelagerter radioaktiver Partikel

durch einen Waldbrand am Standort Tschernobyl untersucht /THI 01/. Im Rahmen die-

ser Untersuchung wurde zur Simulation der Resuspension und Ausbreitung von am

Boden abgelagerten radioaktiven Partikeln während eines Flächenbrandes das Strö-

mungsfeld unter dem Einfluss der thermischen Einwirkungen des Brandes berechnet.

Dazu wurde das prognostische nicht-hydrostatische Strömungs- und Turbulenzmodell

FOOT3DK des Instituts für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln

(/BRÜ 97/, /BRÜ 99/) verwendet, und zwar in einer modifizierten Programmversion, bei

der einerseits die Modellphysik so angepasst wurde, dass der Wärmeeintrag in die At-

mosphäre während eines Brandes korrekt abgebildet wurde, und andererseits die er-

forderlichen Eingangsparameter der Brände (Große und Form der Brandfläche, Zu-

grichtung der Brandfront, Geschwindigkeit und Wärmeeintrag) übergeben werden

konnten. Das Modell lieferte hierbei sowohl die erwartete Ausbildung eines Doppelro-

tors bei Queranströmung der Brandfläche als auch Aufstiegshöhen der Brandwolke im

Bereich der nach dem Ansatz von Briggs (vgl. Abschnitt 2.3.2.2) zu erwartenden Wer-

te.

Obwohl das Modell FOOT3DK zwar von den enthaltenen Modellgleichungen her ge-

eignet wäre, die Strömungssituation und das zugehörige Turbulenzfeld um einen in Be-

trieb befindlichen Kühlturm zeitabhängig zu berechnen, bestehen für diese spezielle

Anwendung dennoch Probleme. Da das Modell eher für die Mesoskala als für die Mi-

kroskala konzipiert ist, sind zum einen vertikale Strukturen wie Gebäude als Randbe-

dingungen nicht vorgesehen und fehlt zum anderen eine ausreichende Validierung des

Modells für die Mikroskala.

Mit einem einfacheren Ansatz könnte mit FOOT3DK ohne Berücksichtigung der Kern-

kraftwerksgebäude das Strömungs- und Turbulenzfeld für Bedingungen modelliert

werden, die dem Kühlturmbetrieb entsprechen (z. B. Temperaturen, Volumenströme,

relative Feuchte und Flüssigwassergehalt der Fahne). Die berechnete Geometrie der

resultierenden Kühlturmfahne könnte dann mit dem Kühlturmschwadenmodell VDISP

in der Richtline VDI 3784, Blatt 2, /VDI 90/ verifiziert werden. In einem weiteren Schritt

wären das mit FOOT3DK berechnete Strömungs- und Turbulenzfeld und das mit dem

diagnostischen Windfeldmodell TALdia berechnete Windfeld unter Berücksichtigung

der Kernkraftwerksgebäude geeignet zu überlagern und dem Programmsystem ARTM

33

zu übergeben, um eine Analyse des kombinierten Einflusses aus Gebäudeumströmung

und Kühlturmfahne auf die Konzentrationsverteilung durchzuführen. Die Vor- und

Nachteile eines solchen Ansatzes werden in Abschnitt 3.2.1.1 diskutiert.

Als alternativer Ansatz können CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics) verwen-

det werden, die zur dreidimensionalen, zeitabhängigen Simulation von Bränden entwi-

ckelt wurden. Sie sind sowohl für die Mikroskala geeignet als auch für die Berücksichti-

gung von Gebäudestrukturen konzipiert. Ein weltweit genutzter und validierter Vertreter

dieser Modellfamilie ist FDS (Fire Dynamics Simulator) /MCG 08/. Es ermöglicht die

dreidimensionale Beschreibung eines Brandes inklusive Strömungsfeld und Wär-

metransport (konvektiven, turbulent, Strahlung). Das Modell wurde auch bereits zur

Analyse der Brände im World-Trade-Center am 11. September 2001 angewendet

/REH 02/. In das Modell ist auch ein Ausbreitungsmodul für gasförmige Tracer inte-

griert.

Die umfangreiche Validierung des Modells umfasst vor allem Vergleiche mit Brandex-

perimenten /MCG 10/, enthält jedoch auch Validierungsarbeiten zu reinen Strömungs-

und Ausbreitungssituationen inklusive der Themen Abgasfahnenüberhöhung und Tur-

bulenzmodell. So zeigen beispielsweise Untersuchungen zur Eignung des Modells für

Ausbreitungsrechnungen /MOU 09/ gute Übereinstimmungen mit Messungen, sofern

die Modelloption zur expliziten Berechnung von Windfluktuationen mit LES (Large Ed-

dy Simulation) verwendet wird. Abb. 2-12 zeigt dies anhand von Vergleichsrechnungen

zu einem Ausbreitungsexperiment mit NH3, das 1997 von INERIS durchgeführt wurde.

34

Abb. 2-12 Vergleich von Konzentrationsdaten zwischen Feldmessung und FDS in Abhängigkeit von der Turbulenzparametrisierung /MOU 09/

Die Anwendbarkeit des Modells auf Strömungs- und Ausbreitungssituationen um Ge-

bäude wurde beispielsweise in /CHA 03/ quantitativ anhand von Windkanalexperimen-

ten untersucht und mit Ergebnissen des kommerziellen Strömungsmodell FLUENT

verglichen. Dabei zeigt sich eine gute Korrelation der mit FDS im LES-Modus simulier-

ten Konzentrationswerte mit den im Windkanal gemessenen Werten (siehe Abb. 2-13),

sofern eine mittlere Einstellung für die Strömungsrandbedingung an Oberflächen ge-

wählt wird (zwischen slip und no-slip). In den herangezogenen Windkanaluntersuchun-

gen wurden in einem Raster von regelmäßig angeordneten, quaderförmigen Gebäuden

für verschiedene Abstände der Gebäude an verschiedenen Vertikalprofilen in einer der

resultierenden Straßenschluchten und an einer Linie entlang einer Dachfläche Tra-

cermessungen einer der Freisetzungen in Luv der Anordnung positionierten Punktquel-

le vorgenommen.

35

Abb. 2-13 Beispiel der in /CHA 03/ herangezogenen Windkanalexperimente mit breiter Straßenschlucht (links) und Modellkorrelation von normierten Konzentrationswerten für eine quadratische Straßenschlucht (rechts)

Qualitative Untersuchungen zu thermisch beeinflussten Strömungssituationen in Häu-

serschluchten wurden in /HU 09/ mit FDS für den Spezialfall eines Brandes in Stra-

ßenniveau durchgeführt. Dabei wurden in einer Straßenschlucht mit einem Querschnitt

von 18 m x 18 m Brände mit unterschiedlicher Energiefreisetzungsrate bei unterschied-

lichen Windgeschwindigkeiten im LES-Modus simuliert, um die Abhängigkeit der Ein-

mischung der Abgasfahne in die Rezirkulationszone der Häuserschlucht zu untersu-

chen. Abb. 2-14 zeigt beispielhaft Ergebnisse für einen Brand mit 5 MW im Zentrum

der Häuserschlucht bei verschiedenen Anströmgeschwindigkeiten. Eine weitergehende

Validierung solcher Situationen mit Windkanaldaten steht hierzu noch aus.

Abb. 2-14 Mit FDS simulierte Verteilung der Rußwolke eines 5 MW Brandes in ei-ner Straßenschlucht bei unterschiedlicher Queranströmung /HU 09/

36

2.4 Turbulenzparametrisierung

Die Anwendung der meteorologischen Grenzschichtprofile nach Richtlinie VDI 3783,

Blatt 8 /VDI 02/, in den Programmsystemen AUSTAL2000 und ARTM hat in der Ver-

gangenheit in einigen Fällen zu unrealistisch schmalen Schadstofffahnen mit entspre-

chenden räumlichen Verteilungen der bodennahen Immissionen (Konzentration sowie

der trocken und nass abgelagerten Stoffe) geführt. Die Turbulenzparametrisierung ruft

insbesondere bei stabilen Schichtungen und Freisetzungen in größeren Höhen extrem

schmale Konzentrationsfahnen hervor. Die Fahnen können so schmal sein, dass bei

Zeitreihenrechnungen in größerer Entfernung eine Sternstruktur in den bodennahen

Immissionen sichtbar wird. Abb. 2-15 zeigt eine typische Verteilung des Langzeit-

Washoutfaktors. Die sternförmige Verteilung des Langzeit-Washoutfaktors mit effekti-

ven Breiten der Strahlen in der Größenordnung der horizontalen Maschenweite Dx des

Auszählgitters wird durch die besonders bei größeren Freisetzungshöhen auftretenden

extrem schmalen lateralen Fahnenbreiten (speziell bei neutraler bis stabiler thermi-

scher Schichtung) in Kombination mit hoher Niederschlagsintensität verursacht.

Abb. 2-15 Typische mit ARTM ermittelte Horizontalverteilung des Langzeit-Washoutfaktors (horizontale Maschenweite Dx = 150 m, z0 = 0,5 m, Frei-setzungshöhe h = 170 m) mit Turbulenzparametrisierung nach VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/

Q1

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

-60

00

-40

00

-20

00

02

00

04

00

06

00

0

-60

00

-40

00

-20

00

02

00

04

00

06

00

0

37

Andere Ansätze für die Parametrisierung der Turbulenz, wie z.B. das im Partikelmodell

LASAT des Ingenieurbüros Janicke verwendete meteorologische Grenzschichtmodell

für Lagrangesche Ausbreitungsmodelle /BZU 00/ führen im Vergleich dazu zu realitäts-

näheren, breiteren Fahnen. In Abb. 2-16 ist die mit /BZU 00/ unter sonst gleichen Be-

dingungen ermittelte Verteilung des Langzeit-Washoutfaktors dargestellt. Die verblei-

ben, u.a. nach Nordwest weisenden „Finger“ sind entstanden bei Ausbreitungsbedin-

gungen, die durch die stark stabile Stabiltätsklasse F in Kombination mit Niederschlag

charakterisiert sind. Solche Kombinationen aus Stabilitätsklasse und Niederschlag

kommen außerordentlich selten vor.

Abb. 2-16 Mit ARTM ermittelte Horizontalverteilung des Langzeit-Washoutfaktors (horizontale Maschenweite Dx = 150 m, z0 = 0,5 m, Freisetzungshöhe h = 170 m) mit Turbulenzparametrisierung nach /BZU 00/

Q1

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

-60

00

-40

00

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00

02

00

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00

06

00

0

-60

00

-40

00

-20

00

02

00

04

00

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38

3 Bewertung und Validierung von ARTM

Die Bewertung und Validierung von ARTM konzentrierte sich auf zwei Aspekte. Zum

einen wurde untersucht, in wieweit sich ARTM für den Einsatz im Sinne der Störfallbe-

rechnungsgrundlagen verwenden lässt. Es stellte sich heraus, dass ARTM dazu

grundsätzlich in der Lage ist, wobei einige Anpassungen nötig sind. Teilweise sind die-

se Anpassungen implementiert (Kapitel 3.1). Zum anderen wurde der Frage nachge-

gangen, wie gut das verwendete diagnostische Strömungsmodell den Einfluss von Ge-

bäudestrukturen, insbesondere kraftwerkstypische Gebäude wie Kühltürme, abbilden

kann (Kapitel 3.2).

3.1 ARTM für den Einsatz nach SBG und Anpassung des Programmsys-

tems

Bei der ursprünglichen Entwicklung war der Einsatz von ARTM in Rahmen der Allge-

meinen Verwaltungsvorschrift zu § 47 StrISchV (AVV) für Langzeitausbreitungsrech-

nungen ausgelegt. Für Genehmigungsverfahren sind allerdings auch mögliche Störfälle

und deren Auswirkung auf die Zusatzbelastung zu betrachten. Dazu werden unter an-

derem Kurzzeitausbreitungsfaktoren herangezogen. Die Bestimmungsvorschriften sind

in den Störfallberechungsgrundlagen (SBG) festgehalten.

Im Unterschied zu den genehmigten geringen Ableitungen im Normalbetrieb kann es

bei Störfällen zu kurzzeitigen hohen Emissionen von Radionukliden kommen. Für den

Einsatz nach SBG musste ARTM also vor allen Dingen bezüglich der Nutzung kürzerer

Zeitintervalle für Emissionen und meteorologische Bedingungen untersucht werden

(Abschnitt 3.1.1). Des Weiteren wurden die Darstellungsmöglichkeiten (deterministi-

scher beziehungsweise probabilistischer Ansatz) für Störfallanalysen betrachtet (Ab-

schnitt 3.1.2)

3.1.1 Nutzung kürzerer Zeitintervalle für Emissionen und meteorologische

Bedingungen

Wie schon einleitend erwähnt, sind kürzere Zeitintervalle als Stundenmittel für die reali-

tätsnähere Simulation von Störfall-Ausbreitungssituationen nötig. Diese sind durch

39

starke Instationarität der meteorologischen Verhältnisse – z.B. Windrichtungsschwan-

kungen – oder durch kurzzeitige Emissionen geprägt.

Um kürzere Zeitintervalle mit ARTM zu behandeln, musste insbesondere die Eignung

der im Programmsystem verwendeten Turbulenzparametrisierung (VDI 3783, Blatt 8

/VDI 02/) für diese kurzen Zeitintervalle untersucht und modifiziert werden:

Die in /VDI 02/ dargestellte Turbulenzparametrisierung ist nicht dazu geeignet, die at-

mosphärische Turbulenz und die zugehörigen modellspezifischen Parameter für kurze

Freisetzungszeiten (z.B. bei explosionsbedingten Freisetzungen) zu beschreiben.

Vielmehr können die in der Richtlinie angegebenen Formeln nur herangezogen wer-

den, wenn Freisetzungen, die sich über den Zeitraum etwa einer halben bis zu einer

Stunde erstrecken, modellhaft abgebildet werden sollen. Längere Freisetzungszeiten

werden durch eine Aneinanderreihung quasistationärer Situationen behandelt. Bei kür-

zeren Emissionsdauern wird die Breite der Fahne in der Regel überschätzt und der

maximale Konzentrationswert unterschätzt. Dieser Sachverhalt kann – wie in Ab-

schnitt 2.2.2 dargestellt – kompensiert werden, indem eine entsprechende Anpassung

der in ARTM (ebenso wie in AUSTAL2000) implementierten meteorologischen Grenz-

schichtprofile für die horizontalen Fluktuationen v in der Richtlinie VDI 3783, Blatt 8,

vorgenommen wird: Ausgehend von einer für die Turbulenzparametrisierung nach

/VDI 02/ adäquaten Mittelungszeitraum von einer Stunde (T1 = 3600 s) werden bei

ARTM für kürzere Freisetzungszeiten T2 mit 360 s < T2 < 3600 s die horizontalen Fluk-

tuationen v entsprechend der Formel

( ⁄ ) reduziert. Mit der

NOSTANDARD-Option TEMIS=wert besteht die Möglichkeit innerhalb des auf Stunden-

mittelwerte fixierten Zeitrasters von Zeitreihen auch kürzer als 3600 s dauernde Emis-

sionen zu betrachten. Es wird angenommen, dass die Freisetzung in den ersten

wert × 3600 Sekunden eines Stundenintervalls erfolgt. Beispielsweise bedeutet

"NOSTANDARD;TEMIS=0,1667", dass eine Freisetzung in den ersten 600 s der an-

gegebenen Stunde stattfindet (Siehe Abschnitt 4.1.1).

In engem Zusammenhang hierzu steht die Tatsache, dass ARTM bisher nicht Zeitrei-

hen von kürzer als 24 Stunden verarbeiten konnte. Mit der NOSTANDARD-Option NODAY

kann diese Beschränkung umgangen werden. Zeitreihenrechnungen mit ARTM dürfen

auch kürzer oder länger als 24 Stunden dauernde Zeitreihen einstündiger Mittelwerte

beinhalten und können zu beliebiger Tagesstunde beginnen (Siehe hierzu Ab-

schnitt 4.1.1).

40

Eine Verkürzung des bisher bei Zeitreihen auf eine Stunde festgelegten minimalen

Zeittaktes für Emissionen und meteorologische Bedingungen auf einen 10-Minuten-

Takt ist mit einem hohen programmiertechnischen Aufwand verbunden, da an einer

Vielzahl von Stellen Eingriffe im Source-Code erforderlich sind. Dies betrifft u.a. die

Organisation und die Überprüfung der Zeitreihen "*.akterm" in der Quelldatei

TalAKT.c. Weiter müssen alle Quelldateien, die das Herausschreiben und Einlesen

von zeitabhängigen Daten bewerkstelligen (z.B. Zeitreihen an Bezugspunkten, zeitab-

hängige Dosisfelder), entsprechend angepasst werden. In Anbetracht der Tatsache,

dass in den SBG das minimal zu bewertende Zeitintervall 8 Stunden (k=1) beträgt, also

nur Mittelwerte dieses 8h Intervalls für weitere Untersuchungen herangezogen werden,

wurde auf den Aufwand, auf 10-Minuten-Takt umzustellen, verzichtet.

3.1.2 Darstellungsmöglichkeiten zur Analyse einzelner Ausbreitungsse-

quenzen bei Störfallanalysen.

Bei der Störfallanalyse ist zwischen deterministischer und probabilistischer Vorge-

hensweise zu unterscheiden. Bei der deterministischen Vorgehensweise werden für

ungünstige meteorologische Bedingungen die Strahlenexpositionen unter der Fahnen-

achse entfernungsabhängig ausgewertet. Für die in den Störfallberechnungsgrundla-

gen /SBG 04/ definierten sechs ungünstigen Wettersituationen werden unabhängig von

der Windrichtung die Dosiswerte in der jeweiligen Entfernung der Aufpunkte vom

Emissionsort ermittelt. Der jeweilige Maximalwert der sechs zu betrachtenden Wettersi-

tuationen wird bei der Bewertung herangezogen.

Die bei der probabilistischen Vorgehensweise zu berechnenden Strahlenexpositionen

an den zu betrachtenden Aufpunkten erfolgt auf der Grundlage einer Zeitreihe meteo-

rologischer Daten.

Für zu betrachtende Aufpunkte werden sogenannte komplementäre kumulative Wahr-

scheinlichkeitsverteilungen der einzelnen potenziellen Dosen berechnet. Diese kom-

plementären kumulativen Wahrscheinlichkeitsverteilungen geben die Wahrscheinlich-

keit an, mit der die potenzielle Strahlenexposition einer Person einen bestimmten Do-

siswert erreicht oder überschreitet. In diesem Zusammenhang wurde die Ausgabe von

ARTM erweitert, indem im Rechengebiert an maximal 99 Beurteilungspunkten neben

der Zeitreihe der luftgetragenen Konzentration nun zusätzlich auch standardmäßig die

41

Zeitreihen der nass und trocken abgelagerten Radionuklide ausgegeben werden. An

den Beurteilungspunkten werden außerdem die während der Ausbreitungszeit resultie-

renden mittleren -Submersionsfaktoren zur Berechnung der -Submersionsdosis

durch Radionuklide mit -Energien von 0,1 MeV und 1,0 MeV ausgegeben. Mit speziell

entwickelten Auswert-Routinen können dann über einen Postprocessor (SBG-ARTM)

wahlweise deterministische bzw. probabilistische Störfallanalysen durchgeführt wer-

den. Erste qualitative Bewertungen des Zusatzprogramms wurden bereits vorgenom-

men und die prinzipielle Eignung des Systems festgestellt. Belastbare Ergebnisse, ins-

besondere quantitative Vergleichsrechnungen mit dem Gauß-Fahnenmodell, stehen al-

lerdings noch aus. Der Postprozessor ist deswegen noch kein Bestandteil der offiziell

über die Webseite verteilten GO-ARTM-Version.

3.2 Bewertung und Validierung des diagnostischen Strömungsmodells in

ARTM zur Berücksichtigung des Einflusses von Gebäudestrukturen

einschließlich Kühlturmbetrieb

Mit TALdia steht in den Programmsystemen AUSTAL2000 der TA Luft und ARTM ein

Modul zur Berücksichtigung des Einflusses von Gebäudestrukturen auf das Strö-

mungsfeld zur Verfügung. Vor dem Hintergrund geplanter Vergleichsrechnungen mit

unterschiedlichen für kerntechnische Anlagen typischen Bebauungsstrukturen (z.B.

Kernkraftwerke, standortnahe Zwischenlager) werden in Abschnitt 3.2.1 zunächst das

Prinzip der Strömungsfeldberechnung mit der im Programmsystem TALdia/ARTM inte-

grierten Windfeldbibliothek und den damit einher gehenden Randbedingungen darge-

stellt und die Problematik der Verwendung prognostisch berechneter Wind- und Turbu-

lenzfelder auf der Basis der im Programmsystem TALdia/ARTM integrierten Windfeld-

bibliothek aufgezeigt. Danach werden Vor- und Nachteile der in Abschnitt 2.3.3 be-

trachteten prognostischen Strömungsmodelle sowie ihre Eignung zur Modellierung ei-

nes durch eine Kühlturmfahne beeinflussten Strömungsfeldes bewertet (Ab-

schnitt 3.2.1.1). In Abschnitt 3.2.1.2 werden die Ergebnisse von Beispielrechnungen für

eine Kühlturmumströmung sowie für eine einfache Gebäudeumströmung vorgestellt.

In Abschnitt 3.2.2 werden mit TALdia/ARTM erzielte Rechenergebnisse für eine Frei-

setzungskonfiguration aus einem typischen Zwischenlagergebäude (Abschnitt 3.2.2.1)

sowie für für einen realen Kernkraftwerksstandort (Abschnitt 3.2.2.2) beschrieben.

42

Abschließend folgt in Abschnitt 3.2.3 eine Bewertung der Ergebnisse dieses Kapitels.

3.2.1 Konzept der Strömungsfeldberechnung in AUSTAL2000 bzw. ARTM

und Problem der Übernahme prognostisch berechneter Strömungs-

felder

Das in AUSTAL2000 und ARTM integrierte diagnostische Windfeldmodell Taldia wird

zur Simulation der Strömungsverhältnisse sowohl in topographisch strukturiertem Ge-

lände als auch bei Gebäudeeinflüssen eingesetzt. Allerdings begrenzt schon die TA

Luft in ihrem Anhang 3 den Anwendungsbereich des diagnostischen Windfeldmodells:

Die Steigung des Geländes überschreitet nicht den Wert 1:5 und wesentliche Ein-

flüsse von lokalen Windsystemen oder anderen meteorologischen Besonderheiten

können ausgeschlossen werden (TA Luft, Anhang 3, Nr. 11 „Berücksichtigung von

Geländeunebenheiten“).

Den Einsatzbereich des diagnostischen Windfeldmodells bei Gebäudeeinfluss re-

gelt die TA Luft in Anhang 3, Nr. 10 „Berücksichtigung von Bebauung“ abhängig

von der Schornsteinbauhöhe, der Gebäudehöhe und dem Abstand zwischen

Emissionsquelle und Gebäude. Siehe hierzu das Flussdiagramm in Abb. 2-7.

Diese Begrenzungen ergeben sich aus der Tatsache, dass diagnostische Strömungs-

modelle nur der Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltung) genügen und auf dieser Ba-

sis ein divergenzfreies Windfeld erzeugen. Der Wärmehaushalt und die damit verbun-

dene Kopplung zwischen Druck -und Temperaturfeld bleiben unberücksichtigt. Aus

diesem Grund können solche Modelle auch nicht thermisch induzierte Windsysteme,

wie z.B. Land-Seewindzirkulationen, Berg-Talwindsysteme, Kaltluftabflüsse oder Kühl-

turmschwaden simulieren. Demgegenüber berücksichtigen mesoskalige prognostische

Strömungsmodelle den kompletten Satz der Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls,

Energie und Feuchte. Damit sind solche Strömungsmodelle in der Lage die oben ge-

nannten thermischen Windsysteme realitätsnah zu simulieren.

Der Vorteil der einfach strukturierten diagnostischen Windfeldmodelle liegt darin, dass

bei gleichen thermischen Schichtungsverhältnissen durch eine Linearkombination

zweier linear unabhängiger Windfelder, die z.B. bei West- und Südanströmung erzeugt

wurden, ein weiteres gültiges Windfeld entsteht. Auf der Grundlage dieser Eigenschaft

43

werden in den Programmsystemen AUSTAL2000 und ARTM zunächst mit TALdia für

jede der 6 Klug-Manierschen Ausbreitungsklassen V bis I (entsprechend den Pasquill-

schen Diffusionskategorien A bis F) je zwei Basiswindfelder für West- und Südanströ-

mung vorberechnet und in einer Windfeldbibliothek abgelegt. Aus den jeweiligen Paa-

ren orthogonaler Basisfelder wird dann in AUSTAL2000 bzw. ARTM durch geeignete

Linearkombination ein Ergebniswindfeld berechnet, das mit der am Anemometerstand-

ort gemessenen Windgeschwindigkeit und Windrichtung übereinstimmt. Diese Vorge-

hensweise führt im Falle moderat strukturierten Geländes zu plausiblen Ergebnissen.

Allerdings kann bei thermisch induzierten Windsystemen nicht mehr davon ausgegan-

gen werden, dass sich die an die Windmesswerte angepassten Windfelder durch Line-

arkombination zweier Basiswindfelder ermitteln lassen.

Dies gilt auch für den Fall, dass Gebäudeeinflüsse zu betrachten sind: Hier lässt sich

die Gesamtheit der Lösungsfelder grundsätzlich nicht mehr als Linearkombination nur

zweier orthogonaler Windfelder darstellen. Deshalb wird in AUSTAL2000 und ARTM

bei Gebäudeumströmung nicht mehr von zwei orthogonalen Windfeldern ausgegan-

gen, sondern es werden für insgesamt 36 Anströmrichtungen in 10°-Schritten Basisfel-

der erzeugt. Unter der Annahme, dass der durch die Linearkombination von Windfel-

dern eingeführte Fehler gering wird, wenn die Basisfelder dieser dicht benachbarten

Richtungssektoren verwendet werden, können wieder angepasste Ergebnisfelder be-

rechnet werden, die den Windmesswert am Anemometerstandort reproduzieren.

Der Umfang der bei Gebäudeumströmung erzeugten Windfeldbibliothek ist gegenüber

einer Windfeldbibliothek bei moderat strukturiertem Gelände deutlich erhöht. An Stelle

von 12 Windfeldern (2 Anströmrichtungen, 6 Diffusionskategorien) enthält die Wind-

feldbibliothek bei Gebäudeeinfluss pro Anströmrichtung (36) und Diffusionskategorie

(6) je ein Feld mit den drei Windgeschwindigkeitskomponenten (w????d00.dmnb), mit

den horizontalen und vertikalen Austauschkoeffizienten (k????d00.dmnb) sowie mit

den turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen (v????d00.dmnb). Die in den Datei-

namen durch Fragezeichen symbolisierten 4 Zeichen kennzeichnen die Ausbreitungs-

situation, beispielsweise steht 3019 für „neutrale Schichtung (III1 entsprechend D),

Windrichtung 190°“.

Aufgrund der Tatsache, dass Modellrechnungen mit mesoskaligen prognostischen

Strömungsmodellen sehr zeitaufwändig sind, würden Jahreszeitreihenrechnungen mit

Strömungsfeldrechnungen auf Stundenbasis erhebliche Rechenzeit erfordern. Deshalb

44

ist das für das diagnostische Strömungsmodell TALdia entwickelte Konzept der Wind-

feldbibliothek grundsätzlich auch für solche Strömungsfelder interessant, die mit einem

mesoskaligen prognostischen Strömungsmodell berechnet werden. Für Anwendungen

mit AUSTAL2000 wird in /BIG 07/ ein Konzept zur Erstellung von Windfeldbibliotheken

auf Basis prognostischer Strömungsmodellrechnungen beschrieben und bewertet. Mit

diesem Verfahren werden in /BIG 07für orographisch stark gegliedertes Gelände Ver-

besserungen in der Wiedergabe der Geländeeinflüsse auf die Ausbreitungsstatistik

demonstriert. Allerdings können mit diesem Verfahren nur dynamische Einflüsse der

Oberfläche auf stationäre Windsysteme erfasst werden. Zur Einbindung prognostisch

simulierter Gebäudeeinflüsse und ggf. thermisch induzierter instationärer Windsysteme

schlagen /BIG 07/ Simulationen mit dem Lagrange-Partikelmodell LASAT, das direkt

an die Strömungsfeldsimulationen angekoppelt werden kann, vor.

Insgesamt weist das Windfeld-Bibliothekenkonzept bezüglich der Anwendbarkeit von

prognostischen Modellrechnungen die folgenden Beschränkungen auf:

Eine Synthese von individuellen Windfeldern durch lineare Überlagerung vorbe-

rechneter Bibliotheksfelder ist auf Basis prognostische Modelle nicht ohne weiteres

möglich. Insbesondere können damit instationäre Zirkulationsstrukturen, die durch

die großskalige atmosphärische Dynamik oder durch thermische Effekte induziert

werden, nicht angemessen reproduziert werden.

Ergebnisfelder prognostischer Modelle sind darüber hinaus nicht sinnvoll auf Ein-

heitsgeschwindigkeiten skalierbar, insbesondere bei thermisch induzierten Wind-

systemen. Damit wird die Berechnung von Strömungsfeldern aus einem geeigne-

ten Satz von Basisfeldern auch benachbarter Richtungssektoren fragwürdig.

Die zeitliche Entwicklung von Wind- und Turbulenzfeldern wird in prognostischen

Modellen in Zeitschritten deutlich kürzer als 3600 s berechnet. Die Beschränkung

auf stündlich gemittelte Wind –und Turbulenzfelder kann daher gerade bei der

Wiedergabe kleinräumiger und zeitlich hochvariabler Strukturen den Vorzug der

Simulation zeitlich hoch aufgelöster Strömungsmuster bei prognostischen Strö-

mungsmodellen zunichtemachen.

In der Fachliteratur werden verschiedentlich Ansätze diskutiert, wie das für TALdia in

AUSTAL2000 bzw. ARTM umgesetzte Konzept der Windfeldbibliotheken auch mit me-

soskaligen prognostischen Strömungsmodellen erfolgreich funktionieren könnte

45

(/BIG 07/, /IMA 11/, /VDI 11/). Nach /BIG 07/ „existiert(e) bisher kein einheitliches Kon-

zept, wie mesoskalige Modellrechnungen in Immissionsprognosen nach TA Luft einge-

bunden werden können“. Vor diesem Hintergrund arbeitet eine VDI-Arbeitsgruppe an

Verfahren für den Einsatz prognostischer mesoskaliger nicht-hydrostatischer Wind-

feldmodelle für Anwendungen nach der TA Luft /VDI 11/Ein entsprechender Richtli-

nienentwurf wird frühestens für 2012 erwartet /BIG 11/. Aus diesen Gründen wurde im

Rahmen dieses Forschungsvorhabens die direkte Einkopplung mesoskaliger prognos-

tisch berechneter Strömungsfelder in die Windfeldbibliothek von ARTM nicht weiter

verfolgt.

In den folgenden Abschnitten wird jedoch über Ergebnisse eigener Untersuchungen an

verschiedenen prognostischen Strömungsmodellen hinsichtlich ihrer Eignung zur Um-

strömung von Gebäuden einschließlich der Modellierung von Kühltürmen mit/ohne

Kühlturmbetrieb berichtet.

3.2.1.1 Modellauswahl für weiterführende Modelluntersuchungen

Zielsetzung der in Abschnitt 3.2.1.2 vorgestellten numerischen Untersuchungen war,

einen möglichen Modellansatz zur Anwendung von prognostischen Strömungsmodel-

len zur Erzeugung von Wind- und Turbulenzfeldern für ARTM auf seine Eignung hin-

sichtlich Belastbarkeit und Handhabbarkeit zu überprüfen. Vorab wurden die Eigen-

schaften der in Abschnitt 2.3.3 beschrieben prognostischen Modelle gegenübergestellt,

um eine sinnvolle Auswahl zu treffen. In Tabelle 3-1 sind die Modelleigenschaften von

MISKAM, FOOT3DK und FDS den Anforderungen tabellarisch zusammengefasst.

Tabelle 3-1 Übersicht zu Modellanforderungen und Eigenschaften der Modelle MISKAM, FOOT3DK und FDS

Anforderung MISKAM FOOT3DK FDS

Anwendbarkeit in der Mikroskala

ja eingeschränkt ja

Validierung in der Mik-roskala

ja nein ja, aber wenig me-teorologische Fällle

Gebäude-Umströmung ja nein, aber Anpas-

sung möglich ja

Anfangs-/Rand-bedingung Tempera-turschichtung

ja ja ja

Thermischer Auftrieb nein, nur Frei- ja ja

46

Anforderung MISKAM FOOT3DK FDS

strahl

Kondensation nein ja nein

Anfangs-/Rand-bedingung Windprofil

ja ja nur orthogonal

Anfangs-/Rand-bedingung Turbulenz-profil

ja ja nur über Vorlauf-

zone mit Rauigkeit

Turbulenzfelder quasi-stationär quasi-stationär instationär (LES)

Verfügbarkeit kommerziell möglich frei

Aus der Übersicht folgt, dass keines der Modelle alle Anforderungen erfüllt. Da bei der

Simulation der Wind- und Turbulenzfelder um Kühltürme mit prognostischen Modellen

wenigstens die Berücksichtigung von Wärmequellen erforderlich ist (Kondensationsef-

fekte sind eher sekundär, siehe Abschnitt 2.3.1), scheidet das Modell MISKAM als

Kandidat aus. Allerdings ließe sich diese Option sicher ohne allzu großen Aufwand im

Modell ergänzen.

Gegen FOOT3DK spricht die notwendige Erweiterung des Modells um die Berücksich-

tigung blockförmiger Hindernisse und die dazugehörige Validierung, die einen sehr

großen Aufwand erfordern würde. Da dies aber eine notwendige Voraussetzung für die

sinnvolle Anwendung des Modells darstellt, wurde die Verwendung des Modells

FOOT3DK im Rahmen dieses Vorhabens verworfen.

Das Modell FDS hat als wesentlichen Nachteil die eingeschränkte Möglichkeit einer

Vorgabe meteorologischer Randbedingungen. Obwohl ein Windprofil vorgegeben wer-

den kann, ist dieses nicht mit einem passenden Profil der Turbulenz verbunden und er-

fordert hierfür daher eine Vorlaufstrecke mit Rauigkeitselementen wie im Windkanal.

Zudem verhindert die fehlende Möglichkeit der Vorgabe von beliebigen Windrichtungen

die Anwendung für ARTM. Da die übrigen wichtigen Anforderungen jedoch fast unein-

geschränkt vom Modell erfüllt werden, wurde entschieden, mit dem Modell FDS

exemplarische Untersuchungen zur Anwendbarkeit durchzuführen.

3.2.1.2 FDS-Rechnungen zur Kühlturm- und Gebäudeumströmung

Für die Untersuchung der Anwendbarkeit eines Modells wie FDS als Vorschaltmodell

von ARTM standen zwei Fragestellungen im Vordergrund des Interesses. Zum einen

47

sollte geprüft werden, inwieweit das Modell in der Lage ist, die Umströmung eines in

Betrieb befindlichen Kühlturms wiederzugeben, zum andern war zu klären, ob die im

Modell durch Verwendung des LES-Modus erzeugten instationären, turbulenten Wind-

felder plausible Turbulenzstrukturen bei der Gebäudeumströmung ergeben.

Für die Umströmung eines in Betrieb befindlichen Kühlturms wurde die Modellversion

FDS 5 verwendet. Das Modellgebiet mit einer Gitterauflösung von 4 m umfasste ein

Gebiet von 100 x 100 x 75 Gitterzellen. Der Kühlturm von KKP 1 (153 m hoch) wurde

bei stabiler Schichtung mit 4 m/s in 10 m Höhe angeströmt und mit einer fühlbaren

Wärmeleistung von 400 MW wenige Meter dem Erdboden angetrieben. In Abb. 3-1 ist

an der Isofläche der Temperatur und an einem Querschnitt durch das Strömungsmus-

ter die Ausbildung eines Doppelrotors erkennbar.

Abb. 3-1 Kühlturmschwaden mit Doppelrotor in FDS: Isoflächen der Temperatur (15 °C, links) und Strömungsmuster quer zur Anströmrichtung mit Tem-peraturverteilung in Lee (rechts)

In Abb. 3-2 ist die turbulente Beeinflussung des Strömungsfeldes in Lee des Kühl-

turmaustritts durch den Kühlturmschwaden erkennbar, während in 50 m Höhe eine nur

durch das Kühlturmbauwerk selbst hervorgerufene Beeinflussung des Windfeldes vor-

liegt. Die Simulationsergebnisse passen somit gut zu den in Abschnitt 2.3.1 beschrie-

benen Strukturen, stellen jedoch keine echte Validierung dar.

Das Verhältnis von Rechenzeit zu Realzeit entspricht mit aktuellen PCs für die hier

vorgestellte Konfiguration etwa 5 zu 1. Hieraus kann leicht abgeleitet werden, dass

Rechnungen zur Erstellung einer ausreichenden Anzahl von Basisfeldern für eine Be-

48

rechnung von Jahresmittelwerten gegenüber der Verwendung des diagnostischen An-

satzes von AUSTAL oder ARTM einen erheblich höheren Aufwand darstellen.

Abb. 3-2 FDS-Windfelder bei Umströmung eines Kühlturms in Betrieb: Schnitt in 150 m Höhe (links) und 50 m Höhe (rechts) mit farblicher Hervorhebung der Strömungsgeschwindigkeit

Anhand der Struktur der in Abb. 3-2 dargestellten Windfelder ist erkennbar, dass das

Modell kein mittleres, quasi-stationäres Bild der Strömungssituation liefert, sondern

dass Turbulenzelemente vom Modell aufgelöst werden, was zu zeitabhängigen Wind-

feldern führt. Um auf Basis solcher Felder nachfolgende Ausbreitungsrechnungen für

Stundenmittel der Konzentration durchführen zu können, ist eine statistische Auswer-

tung der zeitabhängigen Windfelder notwendig. Vorteil einer solchen Vorgehensweise

ist die Möglichkeit einer komponentenweisen Auswertung der Windfluktuationen als u,

v und w.

Um die Eignung der von FDS mit dem LES-Ansatz berechnete turbulente Strömung für

nachfolgende Ausbreitungsrechnungen besser beurteilen zu können, wurde der in Ab-

schnitt 2.3.3.2 mit TALdia berechnete Fall der CEDVAL Daten (A1-1) mit FDS nachge-

rechnet (Gitterauflösung 2,5 m) und hinsichtlich Strömungsfeld und Turbulenzfeld aus-

gewertet.

Abb. 3-3 zeigt den Vergleich von Messdaten und FDS-Rechnung als Vertikalschnitt der

Windvektoren entlang der Strömungsrichtung in Gebäudemitte. Obwohl die wesentli-

che Struktur der Messdaten von FDS gut wiedergegeben wird, ist die Ausdehnung des

Nachlaufbereichs im Modell zu groß. Hier sind weitere Optimierungen von Modellpa-

49

rametern erforderlich, beispielsweise die gemäß Abschnitt 2.3.3.4 vielversprechend er-

scheinende „half-slip“- Randbedingung für den Wind anstatt der hier verwendeten „no-

slip“-Bedingung.

Abb. 3-3 Vertikalschnitt in Strömungsrichtung bei CEDVAL Konfiguration A1-1: Messdaten (oben) und Nachrechnung mit FDS5 (Mittelung über 5 min, unten)

Eine Darstellung der mit FDS parametrisierten (subskaligen) und explizit aufgelösten

Windfluktuationen ist in Abb. 3-4 zu sehen. In einer nachfolgenden Ausbreitungsrech-

nung wäre die Summe aus beiden Feldern anzusetzen. Im Vergleich zu den in

Abb. 2-9 dargestellten Messergebnissen (gleiche Farbskalierung) ergibt sich eine ähn-

liche Struktur und Amplitude und damit eine deutlich bessere Wiedergabe der Messda-

ten als durch TALdia. Allerdings ist auch hier erkennbar, dass die Ausdehnung des

Nachlaufbereichs vom Modell zu ausgedehnt vorhergesagt wird. Zudem ist die aus der

Windscherung abgeleitete, parametrisierte Windfluktuation im Bereich des Frontwirbels

im Modell zu hoch.

Insgesamt lässt sich somit folgern, dass ein prognostisches Modell wie FDS eine deut-

lich realistischere Wiedergabe von Strömungs- und Turbulenzfeldern ermöglicht, als

dies mit diagnostischen Modellen möglich ist. Es ist aber auch erkennbar, dass die

50

Notwendigkeit besteht, solche Modelle für diesen Anwendungsbereich intensiv zu vali-

dieren, bevor damit belastbare Ergebnisse erzielt werden können.

Abb. 3-4 Mit FDS 5 berechnete Standardabweichungen der Windgeschwindigkeit für CEDVAL Konfiguration A1-1 in 7 m über Grund (0,28 H): parametri-sierter Anteil (oben) und vom Modell aufgelöster Anteil (unten)

3.2.2 Beispielrechnungen mit TALdia

In diesem Abschnitt werden ARTM-Ergebnisse von Beispielrechnungen mit Gebäude-

umströmung dargestellt. Dabei wird der Gebäudeeinfluss abgestuft berücksichtigt und

die jeweils resultierende Konzentrationsverteilung ermittelt, indem

zunächst die Gebäudeumströmung mit dem diagnostischen Windfeldmodell TAL-

dia berechnet wird,

der Gebäudeeinfluss durch anfängliche Fahnenaufweitung in Anlehnung an die

Störfallberechnungsgrundlagen /SBG 04/ simuliert wird

und schließlich von einer Freisetzung aus einer Punktquelle ausgegangen wird.

Dabei wird der Einfluss des Parameters Rauigkeitslänge hinsichtlich der nach TA

Luft, Anhang 3, Nr. 10 a) möglichen Berücksichtigung der Bebauung durch eine

erhöhte Rauigkeitslänge untersucht (Siehe Abschnitt 2.3.2.1 und Ablaufschema in

Abb. 2-7).

Es werden zwei typische Gebäudestrukturen betrachtet und zwar

51

ein einfaches quaderförmiges Lagergebäude mit Freisetzung an der Dachkante bei

konstanten meteorologischen Bedingungen.

eine mehrstündige betriebliche Xe-Freisetzung über den Kamin des Kernkraftwerks

Isar mit benachbartem Kühlturm. Für diese mehrstündige Episode liegen Emissi-

onsraten, Messdaten der meteorologischen Instrumentierung sowie bodennahe

Konzentrationsmessungen vor, die im Rahmen einer CTBTO7-Messkampagne

aufgenommen worden sind.

3.2.2.1 Freisetzung aus Lagergebäude

Es wurde eine Freisetzung an der Dachkante eines quaderförmigen Lagergebäudes

bei konstanten meteorologischen Bedingungen betrachtet. Die Abmessungen des La-

gergebäudes und der Freisetzungsort orientieren sich an den Randbedingungen eines

typischen Standortzwischenlagergebäudes mit den Abmessungen L×B×H =

90 × 32 × 18 m³. Das Gebäude wird quer zur Längsabmessung mit u10 = 1 m/s ange-

strömt und zwar für labile. neutrale und stabile Schichtung entsprechend den Diffusi-

onskategorien A, D und F. Es wird zunächst von einer für viele Standorte von Zwi-

schenlagergebäuden typischen Rauigkeitslänge z0 = 0,5 m ausgegangen. Die Emission

erfolgt mittig an der windabgewandten Seite der Längsabmessung in Höhe der Dach-

kante in 22m Höhe. Die Emissionsrate beträgt 1 Bq/s Kr85. Es wird mit von TAL-

dia/ARTM automatisch erzeugten geschachtelten Netzen gerechnet.

In Abb. 3-5 ist für die neutrale Diffusionskategorie D die resultierende bodennahe Kon-

zentrationsverteilung für das 2. Rechennetz (Maschenweite: 4 m) dargestellt. Die bei-

den inneren Netze sind durch die roten Linien gekennzeichnet. Der Grundriss des Ge-

bäudes ist durch das grüne Rechteck angedeutet. Abb. 3-6 zeigt die entsprechende

Konzentrationsverteilung für das 4. Rechennetz (Maschenweite: 16 m). Die beiden

grünen konzentrischen Kreise in den Abbildungen geben den Standort des Anemome-

ters an. In den Abb. 3-7 und Abb. 3-8 sind die entsprechenden Konzentrationsvertei-

lungen für das 2. und das 4. Rechennetz dargestellt, wenn der Gebäudeeinfluss durch

anfängliche Fahnenaufweitung in Anlehnung an die modifizierten Gebäudesigmas der

Störfallberechnungsgrundlagen approximiert wird: Hierfür wurde von einer vertikal ori-

7 CTBTO - Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization

52

entierten auf dem Boden aufsitzenden quadratischen Flächenquelle mit einer Seiten-

länge von 18 m ausgegangen. Abb. 3-9 schließlich zeigt die Konzentrationsverteilung

unter Annahme einer punktförmigen Emission in 22 m Höhe über Grund (z0 = 0,5 m).

Abb. 3-5 Lagergebäude (grünes Rechteck), Gebäudeumströmung mit TALdia, 2. Netz, Maschenweite: 4 m

Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, Emissionsrate: 1 Bq/s Kr85

53

Abb. 3-6 Lagergebäude, Gebäudeumströmung mit TALdia, 4. Netz, Maschenweite: 16 m Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85

Abb. 3-7 Lagergebäude, approximiert durch vertikale auf dem Boden aufsitzende Flächenquelle 18 × 18 m², 2. Netz, Maschenweite: 4 m Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85

54

Abb. 3-8 Lagergebäude, approximiert durch vertikale auf dem Boden aufsitzende Flächenquelle 18 × 18 m², 4. Netz, Maschenweite: 16 m Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85

Abb. 3-9 Punktquelle in 22 m Höhe über Grund Rechengitter mit Maschenweite: 16 m wie in Abb. 3-6 bzw. Abb. 3-10 Rauhigkeitslänge z0 = 0.5m, Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85

55

Punktquelle vertikal orientierte Flächenquelle Gebäudeumströmung mit TALdia hq = 22 m auf dem Boden aufsitzend 18 × 18 m² L×B×H = 90 × 32 × 18 m³

Abb. 3-10 Konzentrationsverteilungen im Lee eines Lagergebäudes für Diffusionskategorie D, u10 = 1 m/s, 1Bq/s Kr85

Links: Approximation durch Punktquelle; Mitte: Approximation durch vertikale Flächenquelle; Rechts: Umströmung des Lagergebäudes mit TALdia

56

Aus Abb. 3-10 kann man die Auswirkungen der unterschiedlichen Approximationen

(Punktquelle, Flächenquelle und reale Modellierung der Gebäudeumströmung mit

TALdia) gut erkennen:

Das Gebäude sorgt im Vergleich zur Konzentrationsverteilung bei der Punktquelle

für eine deutliche Aufweitung der Konzentrationsverteilung quer zur Ausbreitungs-

richtung.

Eine vergleichbare Aufweitung wird auch bei der Approximation des Gebäudes

durch die vertikale Flächenquelle bewirkt. In Quellnähe treten hier deutlich höhere

Konzentrationen auf als bei der Punktquelle und bei Berücksichtigung der Gebäu-

deumströmung mit TALdia.

Dies kann man auch an den in Abb. 3-11 für die drei Diffusionskategorien A, D und F

gegenüber gestellten Konzentrationsverteilungen unter der Fahnenachse erkennen.

Zur Untersuchung des Einflusses der Rauhigkeitslänge hinsichtlich der nach TA Luft,

Anhang 3, Nr. 10 a) möglichen Berücksichtigung der Bebauung durch eine erhöhte

Rauigkeitslänge wurden für den Fall Punktquelle neben der Standardrechnung mit

z0 = 0,5 m auch ARTM-Rechnungen mit z0 = 1,5 m durchgeführt.

Die bodennahe Konzentration unter der Fahnenachse zeigt für die Approximation mit

der vertikalorientierten Flächenquelle die höchsten Werte Bei labilen bis neutralen

Schichtungsverhältnissen und in Quellentfernungen größer als 500 m unterscheidet

sich der Verlauf nur noch wenig von dem Konzentrationsverlauf, der sich bei explizit

berechneter Gebäudeumströmung ergibt.

Im Fall der Punktquelle ist für beide Rauigkeitslängen zunächst der typische Konzent-

rationsanstieg zu beobachten. Für z0 = 0,5 m wird bei labiler Schichtung (A) zwischen

100 und 200 m das Maximum erreicht; Bei z0 = 1,5 m rückt das Maximum auf Grund

erhöhter mechanisch induzierter Turbulenz näher an die Quelle heran, weil die Fahne

früher den Erdboden erreicht. Zugleich wirkt sich die erhöhte Turbulenz auf die laterale

Fahnenbreite aus; dies ist daran zu erkennen, dass die Konzentration unter der Fah-

nenachse deutlich geringer ist als bei der kleineren Bodenrauigkeit. Dieses Verhalten

zeigen auch die Rechnungen für neutrale Schichtungsverhältnisse (Diffusionskategorie

D). Bei stabiler Schichtung (F) treten beide Maxima auf Grund der geringeren Turbu-

57

lenz erst in größerer Entfernung auf. Hier nähern sich die Konzentrationsverläufe für al-

le vier Rechenfälle erst bei einer Quellentfernung von mehr als 1000 m.

Bei der hier untersuchten Gebäude- und Quellkonfiguration nimmt für Quellentfernun-

gen zwischen 500 und 1000 m der Einfluss gebäudenaher Wirbel auf die Konzentrati-

onsverteilung ab.

Die Möglichkeit, Gebäudestrukturen durch eine erhöhte Bodenrauigkeit zu berücksich-

tigen, ist für die hier betrachtete Gebäudekonfiguration gegenüber den Rechnungen

mit TALdia bzw. der Approximation des Gebäudeeinflusses durch anfängliche Fahnen-

aufweitung in Anlehnung an die modifizierten Gebäudesigmas der Störfallberech-

nungsgrundlagen nicht überzeugend. Bei einer Gebäudehöhe von 18 m und einer

Freisetzungshöhe von 22 m ist zwar die Bedingung „Schornsteinbauhöhe > 1,2-fache

Gebäudehöhe“ (Abb. 2-7) erfüllt. Dagegen wird Bedingung „Schornsteinbauhöhe > 1,7-

fache Gebäudehöhe“, nach der die Bebauung durch eine erhöhte Rauigkeitslänge be-

rücksichtigt werden kann, deutlich verletzt. Dem Ablaufschema in Abb. 2-7 kann ent-

nommen werden, dass für die hier betrachtete Gebäudekonfiguration die Anwendung

des diagnostischen Strömungsmodells TALdia angemessen ist.

58

Abb. 3-11 Konzentration unter der Fahnenachse

für Diffusionskategorien A, D und F

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200Quellentfernung in m

1E-006

1E-005

1E-004

1E-003

1E-002

Ko

nze

ntr

atio

n in

Bq

/m³

Kr85, 1Bq/s; Klug-Manier V; DK "A"

Gebäude mit Taldia

Flächenquelle 18 m x 18 m

Punktquelle hq = 22 m, z0 = 0,5 m


YT_Vergleich_A(V).GRF


1E-006

1E-005

1E-004

1E-003

1E-002

Ko

nze

ntr

atio

n in

Bq

/m³

Kr85, 1Bq/s; Klug-Manier III1; DK "D"

Gebäude mit Taldia




YT_Vergleich_D(III1).GRF


1E-006

1E-005

1E-004

1E-003

1E-002

Ko

nze

ntr

atio

n in

Bq

/m³

Kr85, 1Bq/s; Klug-Manier I; DK "F"

Gebäude mit Taldia




YT_Vergleich_F(I).GRF

59

3.2.2.2 Kaminfreisetzung bei typischem Kernkraftwerk mit Kühlturm

Am Beispiel von betrieblichen Xe133-Emissionen eines deutschen Siedewasserreak-

tors (KKI) berichtet Wildermuth über Ergebnisse von Ausbreitungsrechnungen mit dem

Programm ARTM /WIL 10/. Diese Rechnungen basieren auf meteorologischen Daten

des örtlichen Kernreaktor-Fernüberwachungssystems sowie auf den vom Betreiber der

Anlage ermittelten nuklidspezifischen Emissionsdaten am 07. März 2009. Im gleichen

Zeitraum wurde im Rahmen einer von der CTBTO durchgeführten Messkampagne die

Aktivitätskonzentration radioaktiver Xenon-Isotope in der Umgebung des Reaktors

messtechnisch bestimmt. Diese wurden mit den berechneten Xe-Konzentrationen ver-

glichen.

Aus Abb. 3-12 kann die Lage des etwa 5 km östlich des Kernkraftwerkes gelegenen

CTBTO-Messpunktes entnommen werden. Abb. 3-13 zeigt einen vergrößerten Aus-

schnitt mit dem Kraftwerksgelände. Die Basis des 165 m hohen Kühlturms ist etwa

250 m vom Kamin (Bauhöhe: 130 m), dem Emissionsort, entfernt. Der Kühlturmdurch-

messer an der Basis wurde zu 130 m angenommen. Entsprechend dem Vorgehen in

/WIL 10/ wurden lokale meteorologische Daten vom SODAR-Gerät des Kernreaktor-

Fernüberwachungssystem (KFÜ) verwendet (Messhöhe 160 m). Ausgehend von der

vorliegenden Kaminbauhöhe nehmen die Autoren in /WIL 10/ eine Abschätzung mittle-

rer Kaminüberhöhungen vor /WIL 90/ und leiten daraus eine Kaminüberhöhung von

mindestens 15 m ab. Damit ergibt sich eine effektive Quellhöhe von hq = 145 m. Die

Relation zwischen den Abmessungen des Kühlturmbauwerks und der Emissionshöhe,

d.h. Kühlturmbauhöhe und Emissionshöhe sind etwa gleich, ist typisch für viele Kern-

kraftwerke bzw. fossil beheizte Kraftwerke.

60

Abb. 3-12 Kernkraftwerk Isar: Lage des Kamins relativ zur CTBTO-Messstelle //WIL 10/

Abb. 3-13 Kernkraftwerk Isar: Anordnung zwischen Kamin und Kühlturm /WIL 10/; die angegebene Windrichtung bezieht sich auf das Ende der CTBTO-

Messkampagne in den Abendstunden.

61

Für eigene ARTM-Rechnungen wurde die gleiche Zeitreihe stündlich gemittelter mete-

orologischer Daten und der Xe-133-Emissionen verwendet wie bei der o.g Untersu-

chung /WIL 10/. Danach kommt es am 07.03.2009 im Zeitraum zwischen 08:00 und

Mitternacht zu Xe-133-Emissionen, die sich im Bereich zwischen 1,510+4 und

2,110+5 Bq/s bewegen. Der Verlauf der Emissionsrate kann aus Abb. 3-14 (oben) ent-

nommen werden. Die Windrichtung ändert sich während des Emissionszeitraumes von

etwa 270°(Westwind) auf Werte um 250°. Damit liegt das Kühlturmbauwerk gegen En-

de des Untersuchungszeitraumes, wie in Abb. 3-13 zu erkennen ist, im Lee des Ka-

mins. Die Windgeschwindigkeit pendelt zwischen knapp 7 und 9,4 m/s. Während des

gesamten Zeitraumes wird mit einer Monin-Obukhov-Länge von 99999 m von neutraler

Schichtung ausgegangen. Es wurde wie in /WIL 10/ angenommen, dass sich die Wind-

richtung mit der Höhe ändert, d.h. ausgehend von einer Windrichtung von 270° in

160 m Höhe ändert sich die Windrichtung in Bodennähe (10 m) um etwa 15° auf 285°.

Für den o.g. Emissionszeitraum wurden mit ARTM Ausbreitungsrechnungen durchge-

führt und zwar unter folgenden Randbedingungen:

Parametrisierung der Turbulenz entsprechend dem mit dem meteorologischen

Grenzschichtmodell für Lagrangesche Ausbreitungsmodelle /BZU 00/, das im Ver-

gleich zum Standardgrenzschichtmodell nach VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02 zu reali-

tätsnäheren, breiteren Fahnen führt (Siehe auch Abschnitte 2.4, 3.4 und 4.1.2).

Berücksichtigung der Orographie des Isar-Tales

ARTM-Rechnungen mit 6 automatisch generierten geschachtelten Rechennetzen

Berechnung des durch den Kühlturm beeinflussten Strömungsfeldes mit TALdia

Zum Vergleich wurden auch Rechnungen ohne Kühlturmbauwerk durchgeführt

Die mit und ohne Kühlturmeinfluss berechneten Verteilungen der bodennahen stünd-

lich gemittelten Xe-133-Konzentration sind in Abb. 3-15 dargestellt. Die unterlegte Oro-

graphie des Isar-Tals ist zu erkennen. Der Messpunkt P3 entspricht dem in Abb. 3-12

angegebenen CTBTO-Messpunkt.

62

Abb. 3-14 KKI-CTBTO – Zeitlicher Verlauf der Emissionsraten (oben) sowie ge-messener und berechneter stündlich gemittelter Xe-133-Konzentra-tionen am Messpunkt P3

0 6 12 18 24MEZ am 07.03.2009

0.0E+0

5.0E+4

1.0E+5

1.5E+5

2.0E+5

2.5E+5B

q/s

0 6 12 18 24MEZ am 07.03.2009

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

Bq

/m³

Xe133-Messungen an P3

Quelle: Kamin / ohne Kühlturmbauwerk /WIL 10/

Quelle: Kamin / ohne Kühlturmbauwerk

Quelle: Kamin / mit Kühlturmbauwerk

1.Intervall 2.Intervall 3.Intervall

3.Intervall

0,045 Bq/m³

2. Intervall

0,031 Bq/m³

1. Intervall

0,008 Bq/m³

KKI-CTBTO(Xe133_Emiss-Messg-Rechng)o-iKT.GRF

63

Der Einfluss des Kühlturmbauwerks auf die quellnahe Konzentrationsverteilung ist

deutlich zu sehen: Die bei der Umströmung des Kühlturmbauwerks entstehenden Lee-

wirbel führen dazu, dass das in 250 m Entfernung aus dem Kamin freigesetzte Xe-133

schneller zum Boden transportiert wird als bei der Rechnung ohne Kühlturmeinfluss.

So tritt bei Kühlturmeinfluss das Konzentrationsmaximum unmittelbar am Fuß des Ka-

mins auf. Ohne Kühlturmeinfluss gelangt das Xenon erst in einer Quellentfernung von

etwa 500 m zum Erdboden und die Maximalkonzentration wird ungefähr am Ort des

Messpunktes P3 beobachtet. Weiter fällt auf, dass für den Fall ohne Kühlturmeinfluss

insgesamt eine breitere Fahne resultiert. Allerdings tritt bei Kühlturmeinfluss ein größe-

rer Bereich mit hohen Konzentrationen auf, der sich vom Fuß des Kamins aus etwa

4 km entlang des Südhanges des Isartals erstreckt. Vermutlich wird das durch die

Leewirbel des Kühlturms zunächst heruntergemischte Xenon entlang der südlichen

Isarhänge durch die Orographie daran gehindert sich effektiv quer zur Windrichtung

auszubreiten. Dieser Effekt tritt bei der Rechnung ohne Kühlturmeinfluss deutlich

schwächer auf.

Insgesamt lässt sich feststellen, dass der Einfluss des Kühlturmbauwerks auf die Kon-

zentrationsverteilung ab Entfernungen von etwa 4 km deutlich nachlässt.

64

Abb. 3-15 Kernkraftwerk Isar: mit ARTM berechnete Konzentrationsverteilung im 5. Rechennetz (Maschenweite 256 m) oben: mit Kühlturm, roter Pfeil weist auf Kühlturm; unten: ohne Kühlturm

65

Wie in Abb. 3-14 (unten) zu erkennen verhält sich der zeitliche Verlauf der stündlich

gemittelten Xe133-Konzentrationen am CTBTO-Messpunkt P3 bei der ARTM-

Rechnung ohne Kühlturm tendenziell genauso wie in /WIL 90/ berichtet: Im Zeitraum

zwischen 08:00 und 14:00 ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit der mittleren ge-

messenen Aktivitätskonzentration von 0,008 Bq/m³. Zwischen 14:00 und 20:00 werden

etwa um den Faktor 10 niedrigere Konzentrationen berechnet und im anschließenden

Zeitbereich bis Mitternacht wird an dem CTBTO-Messpunkt P3 überhaupt keine Kon-

zentration berechnet. Die ARTM-Rechnung mit Berücksichtigung der Kühlturmumströ-

mung verhält sich in ganz ähnlicher Weise. Im ersten Zeitintervall (8:00 – 14:00) sind

die berechneten Konzentrationen eher kleiner als beim Rechenfall ohne Kühlturm. Für

die beiden anderen Zeitbereiche werden am Messpunkt P3 praktische keine Konzent-

rationen berechnet.

Dieses Ergebnis ist nicht überraschend, weil

die ARTM-Rechnung in /WIL 10/ und die hier präsentierte ARTM-Rechnung ohne

Kühlturm einander entsprechen

und weil bei der ARTM-Rechnung mit Kühlturmeinfluss am CTBTO-Messpunkt in

etwa 5 km Entfernung vom Kühlturm selbst nicht mehr viel zu spüren ist, wenn

man von der Tatsache absieht, dass der Kühlturm in Kombination mit der Orogra-

phie des Isar-Tals zu einer Ablenkung der Fahne vom Messpunkt P3 weg führt.

Wahrscheinlich würde die explizite Berücksichtigung der Kühlturmfahne bei der Strö-

mungsmodellierung den Effekt noch verstärken und am Messpunkt P3 zu noch kleine-

ren Konzentrationen führen.

Die berechnete Xenon-Fahne streift den CTBTO-Messpunkt P3 offensichtlich nur am

Rande. Dies wird möglicherweise dadurch verschärft, dass bei den ARTM-

Rechnungen eine Windrichtungsdrehung unterstellt wurde, die die Fahne eher vom

Messpunkt fortbewegt.

3.2.3 Abschließende Bewertung

Die Untersuchungen zur Wiedergabe des Einflusses komplexer Gebäudestrukturen

haben zum einen die Funktionsfähigkeit der gegenwärtig in ARTM implementierten An-

sätze gezeigt. Zum anderen bestätigen die Untersuchungen mit komplexen prognosti-

66

schen Modellen das Verbesserungspotenzial bei der Wiedergabe der Gebäudeum-

strömung im Vergleich zu den in ARTM genutzten vereinfachten diagnostischen Ansät-

zen. Dies wird insbesondere bei der Kopplung dynamisch induzierter mit thermisch in-

duzierten Strömungsmustern deutlich, wie die hochaufgelöste dynamische Simulation

einer Kühlturmumströmung bei gleichzeitigem Kühlturmbetrieb zeigt.

Die bisher gewonnenen Erfahrungen bei der Ankopplung externer Strömungsfelder

zeigen allerdings Grenzen auf, die sich aus dem in ARTM genutzten Windfeldbiblioth-

ken-Konzept ergeben. Insbesondere erscheint eine Vorberechnung aller möglichen

Kombinationen aus Windrichtung und Diffusionskategorie und der Annahme der Ska-

lierbarkeit der Strömungs- und Turbulenzfelder mit der Windgeschwindigkeit zumindest

für komplexe Situationen nicht geeignet. Auf der anderen Seite sind wegen des zeitli-

chen Aufwandes prognostischer Modelle Jahresrechnungen mit ARTM problematisch.

Die Einkopplung prognostischer Strömungsfelder in ARTM wird – unter Voraussetzung

einer entsprechend konzipierten Schnittstelle – daher vermutlich nur für Einzelsituatio-

nen anwendbar sein. In diesem Zusammenhang wäre eine Untersuchung an Fallbei-

spielen hilfreich, ob und unter welchen Bedingungen die durch prognostische Modelle

simulierten Effekte (z.B. Kühlturmbetrieb) relevant für die resultierenden bodennahen

Konzentrationen sind.

3.3 Bewertung der Verwendung flächendeckender Ergebnisfelder nume-

rischer Wettervorhersage (NWV)-Modelle anstelle meteorologischer

Daten nur einer Station

Das Programmsystem ARTM verwendet als Eingabe standardmäßig Zeitreihen stünd-

lich gemittelter meteorologischer Messdaten einer Station im Untersuchungsgebiet. Bei

komplexer Geländestruktur bzw. bei großen Untersuchungsgebieten (> 10 × 10 km²) ist

die Verwendung nur einer Messstation problematisch, weil dies ihre Repräsentativität

für das gesamte Untersuchungsgebiet voraussetzt.

In diesem Zusammenhang bietet sich an ARTM für den Einsatz von Ergebnisfeldern

des numerischen Wettervorhersagemodells Lokal-Modell (LM) des DWD oder von

noch kleiner-skaliger berechneten Strömungsfeldern (z.B. mit FOOT3DK des Instituts

für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln) anzupassen. Zeitreihen sol-

cher vom LM bereit gestellten Felder weisen eine räumliche Auflösung von etwa 7 km

67

(beim LM bzw. ~2,8 km beim LMK (LM Kürzestfrist, Prototyp-Version)) auf und erfas-

sen lokale Einflüsse der Topographie auf die meteorologischen Verhältnisse bedeu-

tend besser als die Verwendung nur einer Messstation. Für die Einkopplung der Er-

gebnisfelder dieser numerischen Wettervorhersagemodelle bietet sich grundsätzlich

die in Abschnitt 3.2.1 vorgestellte Vorgehensweise an.

Im Rahmen der hierfür erforderlichen Arbeiten und der damit eingehenden Einkopplung

von LM-Feldern in die Windfeldbibliothek von ARTM kann die GRS auf die im For-

schungsvorhaben RS1168 „Mesoskalige Modellketten für Unfallsituationen: Optimierte

Strategien zur Einkopplung komplexer Antriebs- und Randwertdaten über heterogenen

Landoberflächen“ gesammelten Erfahrungen bei der Einkopplung von Ergebnisfeldern

numerischer Wettervorhersagemodelle an kleinskalige Ausbreitungsmodelle zurück-

greifen. Dieses Forschungsvorhaben wurde in 2008 abgeschlossen /GRS 08/. Aller-

dings wurde wegen der in Abschnitt 3.2.1 dargestellten Schwierigkeiten eine direkte

Einkopplung numerischer Wettervorhersagefelder in die Windfeldbibliothek von ARTM

nicht weiter verfolgt. Die Schaffung einer Schnittstelle für Einzelfallsimulationen er-

scheint jedoch für zukünftige Anwendungen sinnvoll (siehe auch Abschnitt 3.2.3).

3.4 Überarbeitung der in ARTM verwendeten Turbulenzparametrisierung

3.4.1 Ausgangslage und Lösungsansätze

Wie schon in Abschnitt 2.4 dargestellt worden ist, führt die Anwendung der in der Richt-

linie VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/, festgelegten Turbulenzparametrisierung in den Pro-

grammsystemen AUSTAL2000 und ARTM in der Vergangenheit in einigen Fällen zu

unrealistisch schmalen Schadstofffahnen mit entsprechenden räumlichen Verteilungen

der bodennahen Konzentration sowie der trocken und nass abgelagerten Stoffe.

Vor dem Hintergrund dieses Sachverhaltes und auf der Grundlage regelmäßiger Über-

prüfungen und Erfahrungen aus der Anwendung im Zusammenhang mit dem Modell-

system AUSTAL2000 hat der Fachbeirat II (Umweltmeteorologie) der Kommission

Reinhaltung der Luft im VDI und DIN beschlossen die Richtlinie VDI 3783, Blatt 8, zu

überarbeiten und eine entsprechende Arbeitsgruppe eingerichtet. In der konstituieren-

den Sitzung der Arbeitsgruppe, an der auch die GRS beteiligt ist, wurden folgende in

der aktuellen Version der Richtlinie zu untersuchende Punkte erkannt:

68

Für hohe Quellen ergeben sich unrealistisch schmale Fahnen. Siehe Abb. 2-15.

Die Diffusionskoeffizienten sind näherungsweise proportional zur vierten Potenz

der empirischen Faktoren in den Formeln für die Streuungen der turbulenten

Windgeschwindigkeitsfluktuationen u, v und w und folglich sehr sensitiv bezüg-

lich des Vertrauensbereiches der empirischen Faktoren.

Insbesondere der Wert des empirischen Faktors der Streuung der lateralen Wind-

geschwindigkeitsfluktuation v scheint zu niedrig zu sein und führt zu zu schmalen

Fahnen bei großen Emissionshöhen.

Die Lagrange-Korrelationszeit nimmt stark mit der Höhe ab. Dies führt zu Proble-

men bei einem Lagrangeschen Partikelmodell, weil der Rechenzeitschritt proporti-

onal zur Korrelationszeit ist und in größeren Höhen unnötig kleine Zeitschritte er-

fordert.

Es werden keine Minimalwerte für die Turbulenzprofile angegeben, was für prakti-

sche Anwendungen aber sinnvoll wäre.

Bei der Festlegung der lateralen Geschwindigkeitsfluktuation v wird die Abhängig-

keit von der Mittelungszeit nicht berücksichtigt. Dies wäre aber für Anwendungen

außerhalb der TA-Luft (1-Stundenmittelwerte) wichtig, beispielsweise im Rahmen

von Störfallbetrachtungen, bei denen über kürzere Zeiten gemittelte meteorologi-

sche Daten sowie kurzzeitige Emissionen zu betrachten sind.

Die in der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft), Anhang 3,

dargestellten Parametrisierungen der Windrichtungsdrehung und der Mischungs-

schichthöhe sollten überprüft werden.

Hierzu wurden folgende Arbeitspunkte identifiziert:

Auswertung von auf Messungen basierenden Werten des Diffusionskoeffizienten in

Abhängigkeit von der Schichtungsstabilität (und evtl. der Rauigkeitslänge).

Auswertung von Datensätzen mit meteorologischen Messdaten (Windgeschwin-

digkeit, Geschwindigkeitsfluktuationen und Windrichtungen in Abhängigkeit von der

Höhe über Grund, von der Schichtungsstabilität und von der Rauhigkeitslänge).

Folgende Datensätze stehen für die Auswertung zur Verfügung

DWD Lindenberg,

69

Wettermast Hamburg,

ZAMG, Österreich, Kittsee,

Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV), Ultra-

schallanemometer-Daten.

Im Laufe von bisher sechs Arbeitssitzungen (20.11.2008, 04.03.2009, 01./02.12.2009,

28.02./01.03.2011, 12.07.2011 und 04./05.10.2010) hat sich die VDI-AG auf die Aus-

wertung der meteorologischen Datensätze des Wettermastes Hamburg, auf die Kitt-

see-Daten sowie auf Messdaten des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg

konzentriert.

Inzwischen liegen Auswertungen der Windmessungen vom Wettermast Hamburg vor,

die zeitaufgelöste Wind- und Turbulenzmessungen von dreidimensionalen Ultraschall-

Anemometern in den Messhöhen 10 m, 50 m, 110 m, 175 m und 250 m über Grund

beinhalten (/LAN 10/, /JAN 10/, /BZU 11/). Auf dieser Grundlage wurden vorläufige

Schlussfolgerungen im Hinblick auf eine mögliche Modifizierung des durch

VDI 3783, Blatt 8 (mittlere Windgeschwindigkeit in Turbulenzparametrisierung) so-

wie

Anhang 3 der TA Luft (Winddrehung)

beschriebenen Grenzschichtmodells gezogen. Im Folgenden wird der aktuelle Diskus-

sionsstand zusammenfassend dargestellt und in Abschnitt 4.1.1 ist die Umsetzung in

ARTM beschrieben.

Nach VDI 3783, Blatt 8 werden bei stabiler Schichtung die turbulenten Geschwindig-

keitsfluktuationen u, v und w mit dem Ansatz

( ⁄ )

parametrisiert. Dabei bedeuten

Schubspannungsgeschwindigkeit,

z Höhe über Grund,

zi Mächtigkeit der Mischungsschicht,

fu,v,w empirische aus meteorologischen Feldexperimenten abgeleitete Faktoren.

70

Die turbulente Zeitskala (auch Lagrangesche Korrelationszeit genannt) wird parametri-

siert über

mit

C0 Kolmogorov-Konstante (hier: C0 = 5,7 /VDI 02/),

Dissipationsrate für turbulente kinetische Energie.

Für den Austauschkoeffizient

folgt dann

Mit folgt . Damit hängt die mit der Reisezeit t anwachsen-

de Fahnenbreite √ empfindlich vom Quadrat des empirischen Faktors

ab.

Weiter zeigt ( ⁄ ) eine starke Höhenabhängigkeit.

Auswertungen meteorologischer Messungen in Hamburg, Lindenberg, Kittsee und

Karlsruhe zeigen aber, dass die turbulenten Windgeschwindigkeitsfluktuationen

im Höhenbereich bis etwa 300 m kaum abnehmen.

Vor diesem Hintergrund hat die VDI-Arbeitsgruppe bis zur endgültigen Verabschiedung

der Revision der VDI 3783, Blatt 8 die Verwendung des folgenden „einfach modifizier-

ten Grenzschichtmodells“ empfohlen. (Siehe hierzu auch Anhang A in /BZU 11/).

1. Der exponentielle Abfall der Geschwindigkeitsfluktuationen wurde abgeschwächt

gemäß

( ⁄ ) ( ⁄ )

Mit dieser Änderung ist ( ⁄ ).

2. Der Proportionalitätsfaktor für die horizontalen Geschwindigkeitsfluktuationen quer

zur Windrichtung wurde erhöht gemäß

.

In ARTM stehen zurzeit die folgenden drei Grenzschichtparametrisierungen zur Verfü-

gung:

71

die aktuelle Turbulenzparametrisierung nach VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/, in den fol-

genden Abbildungen mit „VDI“ bezeichnet,

das oben dargestellte einfach modifizierte Grenzschichtmodell nach Anhang A in

/BZU 11/, mit „BZU7A“ bezeichnet,

das LASAT-Grenzschichtmodell nach /BZU 00/, mit „BZU2“ bezeichnet.

3.4.2 Testrechnungen mit verschiedenen Turbulenzparametrisierungen

Auf der Grundlage dieser drei Turbulenzparametrisierungen wurden mit ARTM Test-

rechnungen für die Freisetzungshöhe 100 m über Grund durchgeführt. Es wurden fol-

gende Ausbreitungsrechnungen für die Freisetzung von Cs137 als Schwebstoff und

I131 in organischer Form, das sich wie ein nicht-sedimentierendes, aber trocken und

nass deponierendes Gas verhält, durchgeführt:

1. Jahresrechnungen mit der anonymisierten Zeitreihe artm2000.akterm (Ab-

schnitt 3.4.2.1)

2. 24-stündige Episode mit konstanter Meteorologie: Diffusionskategorie F,

u10 = 2 m/s, Westwind, keine Windrichtungsdrehung mit der Höhe, 2 mm/h Nie-

derschlag (Abschnitt 3.4.2.2)

Für alle Ausbreitungsrechnungen mit ARTM wurden die in Tabelle 3-2 dargestellten

Emissionsraten zu Grunde gelegt.

Tabelle 3-2 In den ARTM-Rechnungen verwendete Nuklide mit Emissionsraten

Nuklid Form Bezeichnung

in ARTM

Partikelgröße Emissionsrate

in Bq/s Klasse Bereich in µm

I131 organisch i131r - - 1

Cs137 Schwebstoff cs137a

1 < 2,5 0

2 2,5 … 10 0

3 10 … 50 alternativ 1

4 50 … 100 oder 1

Hier werden nur die Ergebnisse für die Ausbreitung und Ablagerung von organischem

Jod (I131) zusammengefasst dargestellt. Die vollständigen ARTM-Rechenergebnisse

finden sich im Anhang D dieses Berichtes.

72

3.4.2.1 Jahreszeitreihenrechnungen

Die folgende Abb. 3-16 enthält die Ergebnisse der Jahresrechnung für die bodennahe

Konzentration I131(organisch) und zwar für die drei in Abschnitt 3.4.1 beschriebenen

Grenzschichtparametrisierungen „VDI“, „BZU2“ und „BZU7A“. Abb. 3-19 und Abb. 3-20

zeigen die entsprechenden Verteilungen für die trockene und nasse Deposition.

Die bei nasser Deposition mit „VDI“ stark hervortretende Sternstruktur tritt bei „BZU7A“

in abgeschwächter Form auf und ist bei „BZU2“ noch schwächer ausgeprägt. Die im-

mer noch erkennbaren Strahlen mit hoher nasser Deposition – z.B. nach SSW oder

SSO – werden verursacht durch stabile Wettersituationen (Ausbreitungsklasse E bzw.

F) mit geringer Windgeschwindigkeit (1,3 m/s) und starken Niederschlägen (3 mm/h

bzw. 8 mm/h).

73

Abb. 3-16 Jahresrechnung Konzentration I131(organisch) mit 1 Bq/s, Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 50 m, gradgenaue Windrichtung in artm2000.akterm

Konzentration VDI Konzentration BZU2 Konzentration BZU7A

74

Abb. 3-17 Jahresrechnung trockene Deposition I131(organisch) mit 1 Bq/s, Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 50 m, gradgenaue Windrichtung in artm2000.akterm

trockene Depos. VDI trockene Depos. BZU2 trockene Depos. BZU7A

75

Abb. 3-18 Jahresrechnung nasse Deposition I131(organisch) mit 1 Bq/s, Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 50 m, gradgenaue Windrichtung in artm2000.akterm

nasse Depos. VDI nasse Depos. BZU2 nasse Depos. BZU7A

76

3.4.2.2 ARTM-Rechnungen für eine 24-stündige Episode

Die Auswirkungen der lateralen Fahnenbreite auf das nass deponierte Material auf

dem Erdboden lassen sich besonders gut mit den folgenden Rechnungen demonstrie-

ren:

Es wurde eine 24-stündige Episode mit konstanten meteorologischen Bedingungen

(Diffusionskategorie F entsprechend Klug-Manier-Klasse „I“, Windgeschwindigkeit

u10 = 2 m/s, Westwind 270°, keine Windrichtungsdrehung mit der Höhe, Niederschlag

2 mm/h) und konstanten Emissionsraten unterstellt (siehe Tabelle 3-2).

Wegen der stationären meteorologischen Bedingungen resultiert eine stationäre Fah-

ne.

Im Falle von Niederschlag entspricht die Flächenverteilung der Deposition weitgehend

der senkrechten Projektion der räumlichen Konzentrationsverteilung der Fahne der in

100 m Höhe freigesetzten Luftschadstoffe auf den Erdboden.

Der Stoff „organisches I131“ verhält sich bei der Ausbreitung wie ein Gas, d.h. das Iod-

Gas sinkt nicht in Folge von Sedimentation abwärts, sondern es gelangt ausschließlich

durch turbulente Vertikaldiffusion zum Erdboden. Bei hinreichend schwacher vertikaler

Diffusion zeigt die resultierende Verteilung des nass deponierten organischen Iods die

gleiche Charakteristik wie die laterale Fahnenbreite in 100 m Emissionshöhe. Die in

Abb. 3-19 in der oberen Reihe dargestellten Verteilungen der nassen Deposition sowie

der Konzentrationsverteilungen in den Schichten k = 8 (65 bis 100 m; Abb. 3-19 mittle-

re Reihe) und k = 9 (100 bis 150 m; Abb. 3-19 untere Reihe) spiegeln dieses Verhalten

wider. In den anderen Rechenschichten befinden sich entweder gar kein oder nur sehr

geringe Mengen organisches Iod:

77

Turbulenzparametrisierung „VDI“:

max. Konzentration = 9,32E-5 Bq/m³ für k = 8;

kein Iod in den Rechenschichten k 7 und k 10.

Turbulenzparametrisierung „BZU2“:

max. Konzentration = 9,33E-5 Bq/m³ für k = 8;

in Rechenschicht k = 7 nur wenige Zellen mit geringen Konzentrationen

(< 2E-9 Bq/m³);


Turbulenzparametrisierung „BZU7A“:

max. Konzentration < 9,31E-5 Bq/m³ für k = 8;

in Rechenschicht k = 7 wenige Zellen mit geringen Konzentrationen

(< 2E-7 Bq/m³);

in Rechenschicht k = 6 sehr wenige Zellen mit noch geringeren Konzentrationen

(< 5E-9 Bq/m³);


78

Abb. 3-19 24-Stundenrechnung mit ARTM - nasse Deposition I131(organisch, 1Bq/s) sowie Konzentration in Schicht k=8 (65..100m) und k=9 (100..150m); Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 20 m, u10 = 2 m/s, Westwind, kein Auswürfeln der Windrichtung aus 10°-Sektor, keine Windscherung, Diffusionskategorie F, Nieder-

schlag 2 mm/h

Konzentration

Schicht 8 (65..100m)

Konzentration Schicht 9 (100..150m)

nasse Deposition

VDI

VDI

VDI

BZU2

BZU2

BZU2

BZU7A

BZU7A

BZU7A

79

Auf Grund dieser Ergebnisse der Ausbreitungsrechnungen mit ARTM erscheint das

Votum der VDI-AG, das in /BZU 11/, Anhang A dargestellte vereinfachte modifizierte

Grenzschichtmodell bis zur Revision der VDI-Richtlinie 3783, Blatt 8 /VDI 02/ als zwi-

schenzeitliche Übergangslösung einzusetzen als plausibel und vernünftig. Die Anwahl

des Grenzschichtmodells in AUSTAL2000 und ARTM erfolgt über die NOSTANDARD-

Option PRFMOD. In der aktuellen ARTM-Version besteht darüber hinaus die Möglichkeit

das im Partikelmodell LASAT verwendete Grenzschichtmodell über eine weitere

NOSTANDARD-Option BLMBZU2 anzuwählen. Siehe hierzu auch Abschnitt 4.1.1.

4 Technisch-wissenschaftliche Modellerweiterungen

Dieses Arbeitspaket umfasst die Prüfung und – wenn möglich – die Umsetzung von

Programmerweiterungen aufgrund offener Fragestellungen, Kommentare und Anre-

gungen, die während und nach der Entwicklungs- und Erprobungsphase von ARTM

aufgeworfen worden sind.

Unter anderem wurden Modellerweiterungen vorgenommen, die die Einbeziehung des

vom Bundesamt für Strahlenschutz entwickelten Dosismoduls DARTM in die interakti-

ve Benutzeroberfläche GO-ARTM betreffen. Mit der Implementierung dieses Dosismo-

duls ist es nun möglich, aus den mit ARTM berechneten Konzentrations- und Depositi-

onsfeldern die Strahlenexposition über die relevanten Expositionspfade und für rele-

vante Personengruppen zu bestimmen.

Zusätzlich wurden technisch-wissenschaftliche Erweiterungen an ARTM sowie an der

allen Teilnehmern der ARTM-Testphase zur Verfügung gestandenen anwenderfreund-

lichen Benutzeroberfläche GO-ARTM vorgenommen. Diese technisch-wissenschaft-

lichen Erweiterungen betreffen u. a. neben der Implementierung zusätzlicher Funktio-

nalitäten, die sich während der ARTM-Testphase ergeben haben, eine benutzerfreund-

lichere Gestaltung der Ein- und Ausgabeprotokolle des Programmsystems und die

Einbeziehung der anwenderfreundlichen Benutzeroberfläche GO-ARTM in das Pro-

grammsystem. Einen weiteren wichtigen Aspekt stellt in diesem Zusammenhang die

Untersuchung von Möglichkeiten zur Reduzierung der Rechenzeit und deren prakti-

sche Umsetzung dar.

80

4.1 Technisch-Wissenschaftliche Erweiterungen an ARTM

Im Folgenden sind zu untersuchende Aspekte, Vorschläge für Erweiterungen von

ARTM und – soweit erfolgt – ihre Umsetzung in ARTM zusammengestellt. Diese Liste

enthält zum einen die während der Entwicklungs- und Erprobungsphase von ARTM

aufgeworfenen offenen Fragestellungen, die im Abschlussbericht des Vorhabens

StSch 4443 /GRS 07/ dokumentiert wurden. Des Weiteren finden sich in der Liste auch

nach Abschluss des Vorhabens noch eingegangene Kommentare und Anregungen

(z.B. /BRE 07/, /MOE 08/, /BEU 08/) sowie Erweiterungsvorschläge, die sich aus der

Sicht des BfS ergeben haben.

In diesem Zusammenhang wurde eine ARTM-Versuchsversion erstellt und im Laufe

des Vorhabenfortschritts fortgeschrieben. Mit Hilfe dieser Versuchsversion wurden

Analysen zur Programmstruktur vorgenommen sowie Programmänderungen eingebaut

und getestet. Dies betrifft u.a. das Management optionaler Kontrollausgaben zur Un-

tersuchung von Einzelheiten des Programmablaufes.

Auf der Basis dieser Versuchsversion wurde die aktuelle in GO-ARTM integrierte

ARTM-Version erstellt. In den folgenden Abschnitten sind die in dieser ARTM-Version

implementierten Änderungen und Ergänzungen beschrieben.

4.1.1 Maßnahmen zur Anpassung von ARTM für Störfallrechnungen

In Abschnitt 3.1.1 wurden notwendige Erweiterungen des Modellansatzes von ARTM

für den Einsatz bei Störfallrechnungen (z. B. zur Bestimmung des Kurzzeitausbrei-

tungsfaktors) identifiziert.

In der Regel müssen bei störfallbedingten Freisetzungen aus einer kerntechnischen

Anlage wesentlich kürzere Zeiträume betrachtet werden als bei der Beurteilung von

langzeitgemittelten Konzentrationsverteilungen infolge betrieblicher Ableitungen luftge-

tragener radioaktiver Stoffe. ARTM konnte bisher nicht Freisetzungsabläufe behandeln,

die kürzer als 24 Stunden dauern. Aus diesem Grund wurde in ARTM die

NOSTANDARD-Option NODAY eingeführt, mit der diese Beschränkung umgangen wer-

den kann, d.h. Zeitreihenrechnungen mit ARTM dürfen auch kürzer oder länger als 24

Stunden dauernde Zeitreihen einstündiger Mittelwerte beinhalten und können zu belie-

biger Tagesstunde beginnen.

81

Bei störfallbedingten Freisetzungen mit Freisetzungszeiträumen, die in deutlich weni-

ger als einer Stunde erfolgen, kann – wie in den Abschnitten 2.2.2 und 3.1.1 dargestellt

– die auf Stundenmittelwerten basierende Turbulenzparametrisierung zu einer Unter-

schätzung der maximalen Konzentration führen. Mit der NOSTANDARD-Option

TEMIS=wert besteht nun die Möglichkeit innerhalb des auf Stundenmittelwerte fixier-

ten Zeitrasters von Zeitreihen auch kürzer als 3600 s dauernde Emissionen zu betrach-

ten. Solche kürzeren Freisetzungszeiten führen zu schmaleren lateralen Fahnenbreiten

und können damit lokal zu höheren Konzentrationen führen. Es wird angenommen,

dass die Freisetzung in den ersten wert × 3600 Sekunden eines Stundenintervalls er-

folgt. wert sollte nicht kleiner als 0,1 und nicht größer als 1,0 sein.

4.1.2 Anpassung der Turbulenzparametrisierung in ARTM entsprechend

dem Diskussionsstand in der VDI-Arbeitsgruppe zur Revision von

VDI 3783, Blatt 8

Wie in Abschnitt 2.4 dargestellt, wird die in AUSTAL2000 und ARTM implementierte

Turbulenzparametrisierung der Richtlinie VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/, die in der aktuel-

len Version unter bestimmten Bedingungen zu einer sternförmigen Verteilung des

Langzeit-Washoutfaktors führen kann, zurzeit einer Revision unterworfen. Entspre-

chend dem Beratungsstand der diesbezüglichen VDI-Arbeitsgruppe wurden entspre-

chende Anpassungen in ARTM vorgenommen.

So wurde in diesem Zusammenhang vorab die Möglichkeit geschaffen, ARTM optional

mit einem Grenzschichtmodell zu betreiben, das im Vergleich zum extrem schmale

Fahnen produzierenden Grenzschichtmodell der VDI-Richtlinie 3783, Blatt 8 /VDI 02/

breitere und damit realitätsnähere Fahnen erzeugt. Dieses neu eingefügte Grenz-

schichtmodell ist in /BZU 00/ dokumentiert und wird mit der NOSTANDARD-Option

BLMBZU2 aktiviert.

Daneben besteht die Möglichkeit das von der VDI-Arbeitsgruppe bis zur Verabschie-

dung der revidierten Fassung der VDI 3783, Blatt 8 empfohlene vereinfachte modifi-

zierte Grenzschichtmodell /BZU 11/ über die NOSTANDARD-Option PRFMOD anzuwäh-

len.

82

Wird weder die NOSTANDARD-Option BLMBZU2 noch die NOSTANDARD-Option PRFMOD

angegeben, dann verwendet ARTM standardmäßig das bisherige Grenzschichtmodell

von VDI 3783, Blatt 8 /VDI 02/.

4.1.3 Überprüfung der bei der Verwendung einer Ausbreitungsklassensta-

tistik vorgegebenen repräsentativen Werte für die Niederschlags-

mengen

In der ARTM-Modellbeschreibung (/BMU 07/, Anhang 1) ist in Kapitel 14 „Verwendung

einer Häufigkeitsverteilung der stündlichen Ausbreitungssituationen“ beschrieben, wie

bei Vorliegen einer 4-parametrigen Ausbreitungsklassenstatistik vorzugehen ist. So

werden die Klasseneinteilungen bezüglich Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Stabili-

tätsklasse und stündlicher Niederschlagssumme spezifiziert. Tabelle 4-1 enthält die in

Tabelle 10 der ARTM-Modellbeschreibung (Anhang 1 in /BMU 07/ sowie Anhang A

dieses Berichtes) angegebenen repräsentativen stündlichen Niederschlagssummen für

die vier Niederschlagsklassen der Ausbreitungsklassenstatistik:

Tabelle 4-1 Klassierung der Niederschlagsraten entsprechend /BMU 07/, Anhang 1, Tabelle 10

stündliche Niederschlagssumme in mm/h

Niederschlagsklasse Bereich repräsent. Wert IR

1 0,00 – 0,01 0,0

2 0,01 – 0,50 0,2

3 0,50 – 3,00 1,8

4 > 3,00 20,0

Hier hat sich der für die Niederschlagsklasse 4 (mit stündlichen Niederschlagssummen

von mehr als 3 mm/h) angenommene Wert von 20 mm/h als unrealistisch hoch und

damit als nicht repräsentativ erwiesen.

Um einen realistischeren Wert zu finden, wurde vom Standort Konrad, dessen Stand-

ortbedingungen als typisch für Norddeutschland angesehen werden können, eine 5-

jährige Zeitreihe stündlicher Niederschlagssummen ausgewertet. Die in dieser Zeitrei-

he identifizierten 4297 Stunden mit Niederschlag wurden hinsichtlich der Nieder-

schlagsmengen der Größe nach sortiert. Abb. 4-1 zeigt den Anteil der stündlichen Nie-

derschlagssummen > 0,0 mm/h in Abhängigkeit von der Niederschlagssumme. Die

83

Grenzen der vier Niederschlagsklassen sind in Abb. 4-1 eingezeichnet. Aus der Abbil-

dung erkennt man, dass in dem 5-Jahreszeitraum das Niederschlagsereignis mit der

höchsten stündlichen Niederschlagsmenge von 19 mm genau einmal vorkommt.

In Tabelle 4-2 sind für die vier Niederschlagsklassen die Anzahl der Fälle mit Nieder-

schlag, die Mittelwerte, die Medianwerte sowie die zu überprüfenden repräsentativen

Niederschlagsmengen aus Tabelle 4-1 zusammengestellt. Die für die Niederschlags-

klassen 2 und 3 bestimmten Mittelwerte stündlicher Niederschlagsmengen stimmen gut

mit den repräsentativen stündlichen Niederschlagsmengen aus Tabelle 4-1überein. Für

Klasse 4 resultiert mit 6 mm ein Mittelwert, der deutlich unter dem repräsentativen Wert

von 20 mm aus Tabelle 4-1 liegt. Deshalb wird die repräsentative stündliche Nieder-

schlagsmenge bei Niederschlagsklasse 4 auf den Default-Wert 5 mm gesetzt. Die für

die Niederschlagsklassen repräsentativen stündlichen Niederschlagssummen wurden

in Form des neuen Parameters RainMean in die artm.settings-Datei übernom-

men.

Abb. 4-1: Verteilung stündlicher Niederschlagsmengen für den Standort Konrad aus den Jahren 2002 bis 2006

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19stündliche Niederschlagssumme [mm]

0.01

0.1

1

10

100

An

teil s

tün

dlich

er

Nie

de

rsch

lag

ssu

mm

en

> 0

mm

[%

]

Nie

ders

ch

lagskla

sse

2: 0

,01

- 0

,5 m

m/h

; re

prä

s.

0,2

mm

/h

Nie

ders

ch

lagskla

sse

3: 0

,50

- 3

mm

/h;

rep

räs. 1

,8 m

m/h

Niederschlagsklasse 4: > 3 mm/h; repräs. 20 mm/h

111110_Konrad02-06(Niederschlagsverteilg)4ABer.grf

84

Tabelle 4-2: Zusammenstellung der Anzahl der Fälle mit Niederschlag, des Mittel- und Medianwertes sowie die zu überprüfenden repräsentativen Nieder-schlagsmengen für die vier Niederschlagsklassen (Basis: stündliche Niederschlagsmengen für den Standort Konrad aus den Jahren 2002 bis 2006)

Klasse 1 2 3 4

Grenzen in mm/h ≤ 0,01 > 0,01 … ≤ 0,5 > 0,5 …≤ 3 > 3

Anzahl 0 2980 1213 104

Mittelwert in mm/h 0,0 0,202 1,197 5,952

Median in mm/h 0,0 0,100 1,000 5,000

repräsent. Wert in mm/h 0,0 0,2 1,8 20,0

Wenn zu einer 4-parametrigen Ausbreitungsklassenstatistik zusätzlich die Jahresnie-

derschlagssumme verfügbar ist, kann auf der Basis der Häufigkeiten der Nieder-

schlagsklassen mit Hilfe der repräsentativen Niederschlagsmengen für die Klassen 2

und 3 eine für den Standort spezifische repräsentative Niederschlagsmenge für Klasse

4 berechnet werden. Dieser Wert muss dann unter der Rubrik RainMean in die

artm.settings-Datei übernommen werden.

4.1.4 Prüfung geeigneter Maßnahmen zur Verbesserung der Rechenöko-

nomie von ARTM

Es wurde untersucht mit welchen geeigneten Maßnahmen man eine Verkürzung der

Rechenzeit erzielen kann, die besonders bei komplexen Ausbreitungssituationen mit

Gebäudestrukturen in gegliedertem Gelände sehr hoch wird.

Zur Optimierung der Rechenzeit von ARTM wurde einerseits ein Konzept verfolgt, nach

dem ein zeitaufwändiges ARTM-Projekt (z.B. bei komplexen Gebäudestrukturen) mit

mehreren gleichzeitig rechnenden Computern bearbeitet werden kann, indem alle be-

teiligten Computer auf eine zentral abgelegte Strömungsfeldbibliothek zugreifen und

Zwischenergebnisse ebenfalls zentral verwaltet werden. Hierzu wurden im Rahmen der

Programmstrukturanalyse weitere vorbereitende Arbeiten hinsichtlich der Adressierung

der zentralen ARTM-Bibliothek vorgenommen.

Ein weiteres auf einer ähnlichen Idee beruhendes Verfahren besteht darin, mit Mehr-

prozessor-PCs ein Projekt abzuarbeiten. So können z.B. die zeitaufwändigen Strö-

mungsfeldberechnungen mit TALdia manuell auf die verfügbaren Prozessoren aufge-

85

teilt werden, indem bei einem 4-Prozessor-PC pro Prozessor jeweils zwei Stabilitäts-

klassen (A und B, C und D sowie E und F) gleichzeitig berechnet werden, die an-

schließend zusammen gefügt werden.

Im Sinne einer Ökonomisierung der Ergebnisausgabe können wahlweise anstelle der

standardmäßig ausgegebenen 3-dimensionalen Felder mit den berechneten mittleren

Konzentrationen *-cncz.dmna und den entsprechenden statistischen Fehlern

*-cncs.dmna optional mit der NOSTANDARD-Option CNC2D nur die entsprechenden

bodennahen Felder *-cncz2.dmna und *-cncs2.dmna ausgegeben. Der Asterisk

„*“ ist Platzhalter für die jeweilige Nuklidkennung kombiniert mit der physikalischen Ei-

genschaft der chemischen Form. Daneben kann optional die Berechnung und die Aus-

gabe der -Submersion unterdrückt werden (NOSTANDARD-Option NOGAM).

4.1.5 Berücksichtigung von Nukliden, die nicht in KTA 1503.1 enthalten

sind und die bei speziellen Anwendungen auftreten, weitere Pro-

grammänderungen

Hierfür wurde die für ARTM erforderliche Parameter-Datei artm.settings, in der

standardmäßig Parameterwerte für ARTM-Rechnungen festgelegt sind, erweitert. Dies

betrifft im Wesentlichen die Radionuklide Rn222E, Pb210A, Po210A der Radon-

Zerfallsreihe, aber auch Radionuklide, die im Verlauf der Ereignisse in Fukushima zu-

sätzlich zu betrachten waren. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, mit dem in Ab-

schnitt 4.1.8 beschriebenen Nuklideditor problemorientiert beliebig weitere Nuklide zu

ergänzen.

Weiter wurden fehlerhafte Angaben in der artm.settings-Datei beseitigt. Dies be-

trifft im Wesentlichen:

eine Korrektur Depositionsgeschwindigkeit von organischem Jod von vg = 0 m/s

auf den in /AVV 05/ angegebenen Wert vg = 110-4 m/s,

den Washoutkoeffizienten von Aerosolen der Klasse „u“, der mit 0 = 510-4 s-1 bis-

her zu hoch angesetzt war; dieser Wert wurde reduziert auf 0 = 310-4 s-1 sowie

den Anteil des Gamma-Energieemissionsspektrums von Cs-137 oberhalb der

Energie 0,2 MeV, der von fr = 0 auf fr = 1,00 verändert wurde, weil für Cs-137 ge-

86

wöhnlich der fr-Wert des Folgenuklides Ba-137m verwendet wird, der 1,00 beträgt.

Da bei einer nachfolgenden Dosisberechnung die Dosisleistungskoeffizienten mit

Tochternukliden verwendet werden, ist dies sicher gerechtfertigt, wenn die Tochter

im Vergleich zur Mutter kurzlebig ist.

Außerdem wurden die bei der Verwendung einer Ausbreitungsklassenstatistik vorge-

gebenen repräsentativen Werte für die Niederschlagsmengen in die artm.settings-

Datei übernommen, wo sie erforderlichenfalls einfach geändert werden können. Siehe

hierzu auch Abschnitt 4.1.3.

Bei Zeitreihenrechnungen gibt die aktuelle ARTM-Version standardmäßig neben den

Zeitreihen für die Konzentration an den Monitorpunkten bzw. Bezugspunkten (Datei

*-zbpz.dmna) auch die Zeitreihen der trockenen und nassen Ablagerung (Dateien

*-zbpdry.dmna und *-zbpwet.dmna) aus. Die Dateien *-zbpg10.dmna und

*-zbpg01.dmna enthalten die an den Bezugspunkten berechneten über den Simula-

tionszeitraum gemittelten Gamma-Submersionsfaktoren zur Berechnung der Gamma-

Submersionsdosis durch Radionuklide mit Gammaenergien von 1,0 und 0,1 MeV.

4.1.6 Erweiterung von GO-ARTM auf die Ausbreitung von Rn-222 unter Be-

rücksichtigung entstehender Tochternuklide und des Gleichgewichts-

faktors

Zur Beurteilung der Strahlenexposition durch Radon-222 spielt der Aufbau der Zer-

fallsprodukte, die entsprechend dem in Abb. 4-2 dargestellten Zerfallsschema auftre-

ten, eine wesentliche Rolle, weil das Edelgas Radon selbst durch die Inhalation ledig-

lich zu einer relativ geringen Äquivalentdosis führt. Die radiologische Bedeutung beruht

vielmehr auf seinen kurzlebigen Zerfallsprodukten Po-218, Pb-214, Bi-214 und Po-214

(siehe Abb. 4-2). Entscheidend für die Strahlenexposition durch Radon ist daher neben

der Konzentration auch der so genannte Gleichgewichtsfaktor (GGF)

222214

8

214214218 /106379,0516,0105,0

RnPoBiPbPo CCCCCGGF

mit den Aktivitätskonzentrationen Cx (in Bq/m³) des Radons und seiner kurzlebigen

Folgeprodukte. Für praktische Anwendungen spielt der Summand 6×10-8 CPo-214 keine

Rolle, da das Po-214 im Gleichgewicht zu Bi-214 steht, d.h. es gilt:

87

CBi-214 CPo-214.

Der Gleichgewichtsfaktor beschreibt das Verhältnis von Radon zu seinen Zerfallspro-

dukten. Er hat den Wert Null für “frisches” Radon und Eins für Radon, das sich im

Gleichgewicht mit seinen Folgeprodukten befindet.

Abb. 4-2 Zerfallsschema des Edelgases Rn-222

Betrachtet man den Zerfall des Radons in einem geschlossenen Kontrollvolumen, so

zeigt sich, dass der GGF nach etwa 3 Stunden den Wert 1 (oder 100%) erreicht (siehe

Abb. 4-3).

Rn-222

3,825 d

PB-214

28,8 min

Bi-214

19,7 min

Po-218

3,05 min

Po-214

164 µs

PB-210

21 a

Bi-210

5,01 d

Po-210

138,4 d

PB-206

stabil

kurzlebige

Rn-Folgeprodukte

langlebige

Rn-Folgeprodukte

Radon Zerfallsschema

88

Abb. 4-3 Zeitliche Entwicklung des GGF (hier wegen der prozentualen Darstel-lung als F bezeichnet) und der Konzentrationen der Radon-Folge-produkte ohne Deposition

Der GGF wird nach folgendem Prinzip berechnet

1. Es wird mit ARTM eine Ausbreitungsrechnung mit Rn-222 unter Berücksichtigung

des radioaktiven Zerfalls durchgeführt.

2. Auf Grund des radioaktiven Zerfalls nimmt die Rn-222-Konzentration mit der Zeit t

ab:

C(t)=C0∙exp(-∙t)

mit Zerfallskonstante in 1/s

speziell für Rn-222 gilt

Rn-222 = 2,0974 10-6 s-1

T½ = 3,825 d = 3,3048 105 s

3. Mit t = 1/∙ ln[C0/C(t)] wird aus der Rn-222-Startmenge C0 und C(t) die Reisezeit t

bestimmt, mit der ein Rn-222 enthaltendes Luftelement seit der Radon-Emission

unterwegs ist.

0 2000 4000 6000 8000 10000

Zeit in s

0

20

40

60

80

100

Ko

nze

ntr

atio

n B

q/m

³

F in %

C(Po-218) in Bq/m³

C(Pb-214) in Bq/m³

C(Bi-214) in Bq/m³

a)

89

4. Wenn man mit ARTM die Ausbreitung von rn222e berechnet und gleichzeitig un-

ter gleichen Bedingungen ein nicht-radioaktives Edelgas8 nrgase freisetzt, kann in

jeder Zelle des ARTM-Auszählgitters die mittlere Reisezeit der Radon-Atome be-

stimmt werden nach t = 1/rn222e ln[ nrgase / rn222e ].

5. Mit der für jede Zelle des Auszählgitters ermittelten Reisezeit können pro Zelle die

entsprechenden Tochternuklidkonzentrationen und damit der resultierende GGF

berechnet werden.

Auf dieser Basis wurde der so genannte Radon-Postprozessor entwickelt, mit dem der

Aufbau der Tochternuklide von Rn-222 auf der Grundlage einer ARTM-Rechnung er-

mittelt werden kann. Hierzu wird mit ARTM für eine vorgegebene Rn-222-Emission die

resultierende Konzentrationsverteilung berechnet. Parallel zu der Radon-Freisetzung

wird mit ARTM die Ausbreitung des nichtradioaktiven Edelgases mit der gleichen

Quellstärke, vom gleichen Quellort und unter gleichen meteorologischen Bedingungen

berechnet. Unter diesen Bedingungen lässt sich in jeder Gitterzelle aus dem Quotien-

ten der Konzentrationen die mittlere Reisezeit der Rn-222-Atome berechnen. Mit der

so bestimmten Reisezeit t werden die jeweiligen Konzentrationen der Radon-

Folgeprodukte Po-218, Pb-214, Bi-214 und Po-214 in den Gitterzellen bestimmt.

Der in der Regel relevante Expositionspfad ist die Inhalation, gegebenenfalls sind auch

die - und -Submersion zu betrachten. Die Expositionspfade Ingestion und -

Bodenstrahlung brauchen nicht betrachtet zu werden, weil die Deposition der frisch

entstandenen Radon-Töchter vernachlässigbar ist.

Es ist zu beachten, dass dieses Verfahren nur für Einzelquellen anwendbar ist. Im Fal-

le von Mehrfachquellen mit Rn-222-Emissionen müssen pro Quelle die Konzentrations-

felder der Folgeprodukte in Einzelrechnungen bestimmt werden, die anschließend zu

überlagern sind.

8 In der artm.settings-Datei als neuer Stoff das Edelgas ohne radioaktiven Zerfall NRGASE eingeführt:

[NRGASE]

wf 0.00E+00 # washout factor Lambda (1/s), i.e.no wet deposition

vd 0.00 # deposition velocity (m/s), i.e.no dry deposition

de 0.00E-00 # decay exponent (1/s) , i.e.no radioactive decay

fr 0.00 # fraction above 0.2 MeV

90

Der entsprechende Radon-Postprozessor radon.exe steht als Zusatzprogramm in

der ARTM-Distribution zur Verfügung. Eine Bedienungsanleitung findet sich in der Pro-

grammbeschreibung (Anhang B dieses Berichtes).

4.1.7 Berücksichtigung mehrerer simultaner zeitabhängiger Quellen

Im Rahmen der Ende 2006 durchgeführten mehrmonatigen Testphase von ARTM hat-

te sich ein Problem bei Rechnungen mit mehreren simultanen zeitabhängigen Quellen

ergeben, das inzwischen behoben worden ist.

4.1.8 Benutzerfreundlichere und ausführlichere Gestaltung der Ein- und

Ausgabeprotokolle von ARTM-Läufen

Die Ein- und Ausgabe wurde benutzerfreundlicher gestaltet. Dadurch besteht jetzt die

Möglichkeit, die für ARTM erforderliche Parameter-Datei artm.settings, in der

standardmäßig Parameterwerte für ARTM-Rechnungen festgelegt sind, mit Hilfe eines

in der Benutzeroberfläche GO-ARTM integrierten Nuklideditors allgemeine Parameter

einfach zu ändern oder Nuklide zu ergänzen bzw. die Eigenschaften bestehender Nuk-

lide zu modifizieren. Der Nuklideditor wird unter dem Menupunkt „Bearbeiten“ über das

Untermenu „artm.settings“ aufgerufen.

Daneben wurden problemorientiert Fehlerausgaben in der Protokolldatei artm.log

ergänzt, z.B. wird die ARTM-Rechnung bei der Eingabe einer unbekannten

NOSTANDARD-Option abgebrochen.

4.2 Einbeziehung der anwenderfreundlichen Benutzeroberfläche

GO-ARTM in das Programmpaket

Die anwenderfreundliche Benutzeroberfläche GO-ARTM stand erstmals einem weiten

Benutzerkreis während der ARTM-Testphase von Oktober 2006 bis Mai 2007 zur Ver-

fügung. Inzwischen wird GO-ARTM zusammen mit ARTM bereitgestellt und kann von

der unter http://www.grs.de/content/ausbreitungsmodellierung aufrufbare ARTM-Seite

herunter geladen werden.

http://www.grs.de/content/ausbreitungsmodellierung

91

Während der Projektlaufzeit wurde GO-ARTM im Hinblick auf die erweiterten Funktio-

nalitäten von ARTM ausgebaut. Dies betrifft auch die Ansteuerung des vom BfS entwi-

ckelten Dosismoduls DARTM (Eingabe und grafische Darstellung der berechneten Do-

sisfelder).

4.2.1 kml-Export der mit ARTM berechneten Konzentrations- und Dosisver-

teilungen zur Übernahme in graphischen Darstellungen mit topogra-

phischen Informationen

Ab der Version GO-ARTM 1.07 ist die Ausgabe 2-dimensionaler ARTM-Ergebnisfelder

im kml-Format möglich, die mit einem Geo-Browser betrachtet werden können.

Hierzu ist für ein fertig gerechnetes ARTM-Projekt unter dem Menu Grafik, Ergebnisse,

2d-Verteilungen ein entsprechendes Ergebnisfeld auswählen. Mit dem Mauszeiger im

Grafikfeld öffnet ein rechter Mausklick ein Pulldown-Menu, in dem KML-Export ange-

wählt werden kann.

4.2.2 Tool zur Manipulation von dmna-Dateien

Für den Fall, dass bestehende dmna-Dateien überlagert werden müssen oder wenn

aus mehreren Jahresrechnungen z.B. ein 5-Jahresmittel gebildet werden soll, steht das

Tool dmna_kalk.exe zur Verfügung. Mit diesem Werkzeug können z.B. dmna-Felder

summiert bzw. Mittelwerte oder Maximalwerte bestimmt werden. Mit dmna_kalk.exe

können für eine anzuwählende dmna-Datei aus einem ARTM-Projekt aber auch Regio-

nen ausgeblendet werden. Dies könnte z.B. das Gebiet innerhalb des Anlagenzauns

eines Kernkraftwerks sein, für das keine Dosis nach Maßgabe von /AVV 05/ bestimmt

werden muss. Eine Bedienungsanleitung findet sich in der Programmbeschreibung

(Anhang B dieses Berichtes)

4.2.3 Implementierung des Dosismodules DARTM

Das Bundesamt für Strahlenschutz - Fachgebiet SW 1.4 „Emissionen und Immissio-

nen“ – hat parallel zur Projektlaufzeit nach Maßgabe der Allgemeinen Verwaltungsvor-

schrift zu § 47 Strahlenschutzverordnung /AVV 05/ das Dosismodul DARTM zur flexib-

len flächendeckenden Bestimmung der Strahlenexposition durch Inhalation, -

92

Bodenstrahlung, - und -Submersion sowie der Ingestion für die relevanten Perso-

nengruppen bereitgestellt. Dieses Dosismodul verwendet die von ARTM vorberechne-

ten Felder (Konzentration, trockene und nasse Deposition, Gamma-Submersion). Zwi-

schen BfS und GRS wurden die Schnittstellen zwischen ARTM und DARTM abge-

stimmt. Hier bot sich an, die von ARTM berechneten räumlichen Verteilungen der Kon-

zentration, der trockenen und nassen Ablagerung sowie des Kurzzeitausbreitungsfak-

tors für -Wolkenstrahlung im für ARTM charakteristischen dmna-Format zu übergeben,

das in GO-ARTM auch für die graphische Ausgabe verwendet wird. Das vom BfS ent-

wickelte Dosismodul erzeugt räumliche Dosisverteilungen ebenfalls im dmna-Format

und bietet damit die Möglichkeit die räumlichen Verteilungen für die Strahlenexposition

in dem gleichen grafischen GO-ARTM-Layout darzustellen wie die Verteilungen der

Konzentration, der Deposition und der Felder zur Berechnung der Gamma-

Submersion. Abb. 4-4 zeigt schematisch wie die Berechnung der Strahlenexposition

mit den in GO-ARTM implementierten Modulen ARTM und DARTM organisiert ist.

Abb. 4-5 zeigt schematisch die Rechenabläufe in DARTM zur Berechnung der Strah-

lenexposition aus den mit ARTM zur Verfügung gestellten Eingabefeldern. Zurzeit sind

mit DARTM folgende Rechnungen möglich:

Rechennetze mit 300×300 Gitterzellen (ungeschachtelt),

Maximal 60 (von 800 möglichen) Nukliden,

9 Expositionspfade

25 Organe + effektive Dosis

6 Altersgruppen

Das Dosismodul DARTM ist Bestandteil der aktuellen Version GO-ARTM. Eine Anlei-

tung zur Berechnung der Dosis mit ARTM findet sich im Anhang E.

93

Abb. 4-4 Schematischer Ablauf der Berechnung der Strahlenexposition mit den in GO-ARTM integrierten Module ARTM und DARTM (Quelle: H. Wildermuth, ARTM-Workshop 2011, BfS, siehe Anhang C)

94

Abb. 4-5 Schematische Darstellung der Rechenabläufe in DARTM (Quelle: H.Wildermuth, ARTM-Workshop 2011, BfS, siehe Anhang C)

95

5 Informations- und Erfahrungsaustausch

Während der Projektlaufzeit wurde eine parallele Erprobung der Modellerweiterungen

durch externe Modellanwender mit laufender Rückmeldung ermöglicht. Dies gewähr-

leistet eine effiziente Lösung von Problemen, die bei den Erweiterungsarbeiten auftre-

ten, sowie die Umsetzung möglicher Vorschläge zu den geplanten Erweiterungen. Das

Arbeitspaket umfasste folgende Arbeiten:

Die GRS hat hierzu zunächst eine entsprechende Internet-Seite erstellt. Darauf

finden sich Modellbeschreibung (siehe auch Anhang A), Programmbeschreibung

(siehe auch AnhangB), aktuelle Downloads von ARTM und GO-ARTM, eine so ge-

nannte History-Datei (aus der die Änderungen gegenüber der Vorgänger-Version

zu entnehmen sind), eine FAQ-Liste für häufig gestellte Fragen und den dazugehö-

rigen Antworten zu ARTM sowie Rückmeldemöglichkeiten von Modellanwendern.

Die ARTM-Internet-Seite war Ende 2009 verfügbar. Der Internet-Auftritt wurde den

Folgejahren 2010 und 2011 entsprechend dem Vorhabenfortschritt gepflegt und

erweitert.

Während der Vorhabenlaufzeit wurden eingehende Fragen bearbeitet, beantwortet

und bei Problemen, soweit möglich, Lösungen vorgeschlagen.

Zum Abschluss der Vorhabenlaufzeit fand am 24. und 25. Oktober 2011 beim BfS

in Neuherberg ein Workshop für Anwender des Modellsystems ARTM statt. An-

lässlich dieses Workshops wurden die Erweiterungen des Programmsystems

ARTM, die anwenderfreundliche Benutzeroberfläche GO-ARTM sowie das eben-

falls in GO-ARTM implementierte vom BfS entwickelte Dosismodul DARTM vorge-

stellt. Die Beiträge der GRS wurden durch Vorträge von Experten, Anwendern und

Interessenten zu begleitenden Fragestellungen ergänzt. Im Anhang C findet sich

eine Kurzzusammenfassung über die Vorträge sowie – soweit verfügbar – eine Zu-

sammenstellung der Präsentationsfolien.

96

6 Zusammenfassung

Im Rahmen einer fachlichen Überarbeitung und der Aktualisierung der Allgemeinen

Verwaltungsvorschrift zu § 47 StrlSchV (AVV) und der Störfallberechnungsgrundlagen

zu § 49 StrlSchV (SBG) gibt es Überlegungen, das derzeit eingesetzte Gauß-

Fahnenmodell durch das im Rahmen der neuen Technischen Anleitung zur Reinhal-

tung der Luft (TA Luft) vom 24. Juli 2002 eingesetzte fortschrittliche Lagrangesche Par-

tikelmodell zu ersetzen. Vor diesem Hintergrund wurden im Vorhaben 3608S05005 das

auf der TA Luft und dem Programmpaket AUSTAL2000 aufbauende Programmsystem

„Atmosphärisches Radionuklid-Transport-Modell“ (ARTM) zur Berechnung der Ausbrei-

tung und der Deposition freigesetzter luftgetragener radioaktiver Stoffe erweitert und

seine Validierung fortgeführt. Die Arbeiten im Vorhaben schließen an die Ergebnisse

des Vorläufervorhabens StSch 4443 an. Sie umfassen die Validierung und Bewertung

von ARTM, die Durchführung technisch-wissenschaftlicher Modellerweiterungen und

die Fortführung des Informations- und Erfahrungsaustauschs zwischen Nutzer und

Entwickler. Insbesondere wurden folgende Schwerpunkte bearbeitet:

– Bewertung der Eignung des Modellansatzes in ARTM in Hinblick auf den Einsatz

im Rahmen der SBG: Die Ausbreitungsmodellierung mit einem Partikelmodell in

ARTM wurde hinsichtlich seiner Eignung für den Einsatz in den Störfallberech-

nungsgrundlagen bewertet. Zu diesem Einsatzzweck erforderliche Programmände-

rungen an ARTM (z.B. zur Ermöglichung kurzer Emissionszeiträume und einst-

sprechend angepasster Turbulenzdarstellung sowie zu nach SBG zulässigen de-

terministischen und probabilistischen Berechnungsverfahren) wurden umgesetzt.

– Bewertung und Validierung von ARTM zur Berücksichtigung des Einflusses typi-

scher Gebäudestrukturen an KKW-Standorten: Zur Berücksichtigung des Gebäu-

deeinflusses wurden Testrechnungen zu verschiedenen Modellansätzen unter-

schiedlicher Komplexität durchgeführt. Zur weiteren Validierung von ARTM wurden

die im Modellsystem implementierten Möglichkeiten zur Wiedergabe von Gebäude-

einflüssen mit Ergebnissen eines Feldexperiments verglichen.

97

– Entwicklung und Implementierung von Modulen zur nachgeschalteten Berechnung

dosisrelevanter Zerfallsprodukte und zur Dosisberechnung: Zur Berücksichtigung

der Relevanz von Tochternukliden aus dem radioaktiven Zerfall von Radon-222

wurde ein nachgeschaltetes Berechnungsverfahren entwickelt, getestet und in das

Programmsystem integriert. Außerdem wurde das vom BfS entwickelte Dosismodul

DARTM zur flexiblen flächendeckenden Bestimmung der Strahlenexposition durch

Inhalation, Gammabodenstrahlung, Gamma- und Betasubmersion sowie der Inges-

tion für relevante Personengruppen in GO-ARTM implementiert.

Weitere Arbeiten zur Modellerweiterung betreffen u. a. die Beseitigung vorhandener

Schwächen der Turbulenzparametrisierung bei der Wiedergabe der nassen Deposition,

die verbesserte Berücksichtigung mehrerer simultaner Quellen, die Überprüfung der

Repräsentativität von Niederschlagsklassen bei Rechnungen mit Ausbreitungsklassen-

Statistiken, flexible Berücksichtigungsmöglichkeiten nutzerdefinierter Nuklide und die

benutzerfreundlicher Gestaltung von Ein-und Ausgabe. Außerdem wurden sowohl zur

verbesserten Berücksichtigung von Gebäudeeinflüssen als auch zur Bewertung von

Verbesserungsmöglichkeiten der flächigen Windfeldverteilung Einkopplungsmöglich-

keiten in Ergebnisfelder prognostischer Modelle untersucht. Dabei wurde weiterer For-

schungs- und Entwicklungsbedarf identifiziert, da das Konzept der Windfeldbibliothe-

ken in seiner gegenwärtigen Implementierung die Anwendungsmöglichkeiten begrenzt.

Zur Fortführung des Informations- und Erfahrungsaustauschs wurden eine Internet-

Seite erstellt und gepflegt, Fragen und Informationsrückläufe von Nutzern beantwortet

und ausgewertet und ein gemeinsamer Workshop mit interessierten Anwendern von

ARTM veranstaltet.

Durch die Weiterentwicklung und Validierung von ARTM wurde die Basis zur Nutzung

des Modellsystems für Aufgaben im Rahmen der Anwendung von AVV und SBG aus-

gebaut. Die Integration des vom BfS entwickelten und bereitgestellten Moduls DARTM

zur Berechnung der Strahlenexposition betrieblicher Ableitungen in die Atmosphäre

zusammen mit ARTM in die anwenderfreundliche Benutzeroberfläche GO-ARTM er-

möglichen die komfortable Ansteuerung des Modellsystems sowie die Aufbereitung

und grafische Darstellung der Ergebnisdaten nach einheitlichen Verfahren.

Die Weiterführung der Entwicklung und Validierung von ARTM bildet die Basis dafür,

das System auf dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik zu halten, Er-

98

kenntnisse aus Erfahrungsrückläufen durch die Anwender einzuarbeiten die Benutzer-

oberfläche GO-ARTM fortwährend zu verbessern. Möglichkeiten für zukünftige Arbeits-

schwerpunkte bestehen in

– der Validierung des auf Störfallanwendungen erweiterten Modellsystems,

– der Fortschreibung der Aktualisierung der Turbulenzparametrisierung.

– der Modellierung der Resuspension von Feinstaub.

– weiteren technisch-wissenschaftlicher Modellerweiterungen von GO-ARTM,

– der Integration der Weiterentwicklungen von DARTM und,

– der Fortsetzung des Informations- und Erfahrungsaustauschs

Durch die Fortführung der Arbeiten kann auch zukünftig das Nutzungspotenzial des

Modellsystems ARTM aufrechterhalten und ausgebaut werden.

99

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tungsrechnung gemäß TALuft. Kommission Reinhaltung der Luft im VDI

und DIN, VDI 3783, Blatt 13, Januar 2010, Beuth-Verlag, 2010

108

/VDI 11/ Verein Deutscher Ingenieure, Umweltmeteorologie, Prognostische mesos-

kalige nicht-hydrostatische Windfeldmodelle - Verfahren für Anwendungen

nach TA Luft. Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN, VDI 3783,

Blatt 16, 2011 (in Bearbeitung)

/VDI 85/ Verein Deutscher Ingenieure, Ausbreitung von Luftverunreinigungen in der

Atmosphäre, Berechnung der Abgasfahnenüberhöhung. VDI-Kommission

Reinhaltung der Luft im VDI und DIN, VDI 3782, Blatt 3 1985

/VGB 06/ Bahmann, W., Schmonsees, N., Janicke, L., Studie zur Anwendbarkeit des

Ausbreitungsmodells AUSTAL2000 mit Windfeldmodell TALdia im Hinblick

auf die Gebäudeeffekte bei Ableitung von Rauchgasen über Kühltürme und

Schornsteine. VGB-Forschungsprojekt Nr. 262, Proj. W1104/09/09. Argu-

Met – Büro West, Mechernich, Januar 2006

/WAL 06/ Walter, H., Das Programmsystem LASAIR und seine aktuelle Optimierung

für die Nuklearspezifische Gefahrenabwehr. Umweltpolitik: 13. Fachge-

spräch zur Überwachung der Umweltradioaktivität, Bundesministerium für

Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, 4. bis 6. April 2006, Bonn,

361-366

/WIL 95/ Wilson, D. J., Du, S., Predicting peak concentrations in dispersion model-

ling, Paper presented at the 1995 ASTM Conference on Performance Eva-

luation of Atmospheric Dispersion Models, Johnson College Vermont, July

9 - 12, 1995

/WIL 90/ Wildermuth, H., Haubelt, R., Abschätzung mittlerer Kaminüberhöhungen für

kalte Quellen. Schriftenreihe Reaktorsicherheit und Strahlenschutz. BMU-

1990-265, 1990

/WIL 10/ Wildermuth, H. et a., Ausbreitungsrechnungen mit ARTM ein Vergleich mit

Ergebnissen von Immissionsmessungen am Beispiel des Radionuklids

Xe133. Konferenzbeitrag 42. Jahrestagung des Fachverbandes für Strah-

lenschutz e. V. zum Thema „Natürliche und künstliche Radionuklide in un-

serer Umwelt“, 26. bis 30. September 2010, Borkum

109

/YAN 66/ Yanskey, G. R. Climatography of National Reactor Testing Station, Idaho

Operations Office, USAEC, IDO-12048, 1966

GRS - A – 3637

Erweiterung und

Validierung von ARTM

für den Einsatz als

Ausbreitungsmodell in

AVV und SBG

Anhang A

ARTM-

Modellbeschreibung


ARTM

Atmosphärisches Radionuklid-Transport-Modell

Modellbeschreibung zu Version 2.6.4

Stand 2011-11-30

Reinhard Martens Cornelia Richter Martin Sogalla Harald Thielen

Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH, Köln

im Auftrag des Bundesamtes für Strahlenschutz

ARTM 2.6.4 Modellbeschreibung

Vorbemerkung

Im Vergleich zur vorherigen Version der Modellbeschreibung vom September 2007

haben sich insbesondere folgende, für die Berechnung wichtige Parameter geändert:

Die Nuklidliste wurde erweitert.

Die repräsentative Niederschlagsmenge für die Niederschlagsklasse 4 wurde

herabgesetzt.

Der Washout Koeffizient der Aerosole mit einem aerodynamischen

Durchmesser über 10m wurde korrigiert.

Ansonsten wurden nur erklärende Ergänzungen und redaktionelle Änderungen

vorgenommen.


Inhaltsverzeichnis

1 Allgemeines ............................................................................................. 3

2 Festlegung der Emissionen .................................................................... 4

3 Radioaktiver Zerfall ................................................................................. 7

4 Ausbreitungsrechnung für radioaktive Gase......................................... 8

5 Ausbreitungsrechnung für radioaktive Stäube ..................................... 8

5.1 Sedimentation und trockene Deposition ..................................................... 9

5.2 Nasse Deposition ....................................................................................... 9

6 Bestimmung der Gammawolkenstrahlung (Gammasubmersion) ...... 10

7 Bodenrauigkeit....................................................................................... 17

8 Effektive Quellhöhe ............................................................................... 19

9 Rechengebiet und Aufpunkte ............................................................... 19

10 Meteorologische Daten ......................................................................... 20

10.1 Allgemeines ............................................................................................. 20

10.2 Windrichtung ............................................................................................ 20

10.3 Windgeschwindigkeit ............................................................................... 21

10.4 Niederschlag ............................................................................................ 22

10.5 Monin–Obukhov–Länge ........................................................................... 22

10.6 Mischungsschichthöhe............................................................................. 23

10.7 Verdrängungshöhe .................................................................................. 23

11 Berücksichtigung der statistischen Unsicherheit ............................... 23

12 Berücksichtigung von Bebauung ......................................................... 24

13 Berücksichtigung von Geländeunebenheiten ..................................... 24


14 Verwendung einer Häufigkeitsverteilung der stündlichen

Ausbreitungssituationen ....................................................................... 25

15 Berücksichtigung der Vegetationsperiode (Sommerhalbjahr) ........... 27

ARTM 2.6.4 Modellbeschreibung 3

1 Allgemeines

Die Ausbreitungsrechnung für radioaktive Gase und Stäube ist als Zeitreihenrechnung über

jeweils ein Jahr bzw. für die Vegetationsperiode (Sommerhalbjahr vom 1. Mai bis zum

31. Oktober) oder auf der Basis einer mehrjährigen Häufigkeitsverteilung von

Ausbreitungssituationen (Ganzjahr bzw. Sommerhalbjahr) nach dem hier beschriebenen

Verfahren unter Verwendung des Partikelmodells der Richtlinie VDI 3945 Blatt 3 (Ausgabe

September 2000) und unter Berücksichtigung weiterer im folgenden aufgeführter Richtlinien

durchzuführen.

Das Ausbreitungsmodell liefert bei Verwendung einer Zeitreihenrechnung bzw. einer

Häufigkeitsverteilung gemäß Kapitel 14 dieser Modellbeschreibung auf dem vorgegebenen

Rechenraster die entsprechenden Jahres- bzw. Halbjahresmittelwerte der

Aktivitätskonzentration eines Radionuklids (als Aktivität/Volumen), der Deposition (als

Aktivität/(Fläche Zeit)) sowie das aus Emissionsmassenstrom (als Aktivität/Zeit) und

Kurzzeitausbreitungsfaktor für Gammasubmersion (als Zeit/Fläche) gebildete Produkt (als

Aktivität/Fläche).

Zusätzlich liefert das Ausbreitungsmodell bei einer Zeitreihenrechnung für jede Stunde des

Jahres an vorgegebenen Beurteilungspunkten die Aktivitätskonzentration eines Radionuklids

(als Aktivität/Volumen).

Die Ergebnisse einer Rechnung auf dem vorgegebenen Rechenraster dienen der

Bestimmung der ungünstigsten Einwirkungsstelle im Hinblick auf die zu betrachtenden

Expositionspfade:

a) Betastrahlung innerhalb der Abluftfahne (Betasubmersion)

b) Exposition durch Gammastrahlung aus der Abluftfahne (Gammasubmersion)

c) Exposition durch Gammastrahlung der am Boden abgelagerten radioaktiven Stoffe

(Bodenstrahlung)

d) Exposition durch Aufnahme radioaktiver Stoffe mit der Atemluft (Inhalation)

e) Exposition durch Aufnahme radioaktiver Stoffe mit der Nahrung (Ingestion)

Die Ergebnisse an den Beurteilungspunkten sind die Grundlage für die Bestimmung der

zusätzlichen Strahlenexposition und dienen, gegebenenfalls zusammen mit der Zeitreihe der

4 ARTM 2.6.4 Modellbeschreibung

gemessenen Vorbelastungswerte, der Bestimmung der Gesamtexposition an der

ungünstigsten Einwirkungsstelle.

2 Festlegung der Emissionen

Emissionsquellen sind die festzulegenden Stellen des Übertritts von radioaktiven

Luftverunreinigungen aus der Anlage in die Atmosphäre. Die standardmäßig zu

berücksichtigenden Radionuklide, sowie weiter Nuklide von Interesse, finden sich für die

wichtigsten chemisch-physikalischen Formen zusammen mit den zur Berechnung der

Aktivitätskonzentration, der trockenen und nassen Deposition sowie der Gammasubmersion

erforderlichen Parameter in Tabelle 1.

Tabelle 1 Liste der berücksichtigten Radionuklide und der verwendeten Parameter

Name Form

Washout-

Koeffizient

in 1/s

Depositions-

geschwindig-

keit in m/s

Zerfallskon-

stante in 1/s

Anteil >

0,2 MeV

H - 3 Tritium W 0 0 1,78·10-9 0

H - 3 Tritium A 1,78·10-9 0

C - 11 Kohlenstoff-11 GB 0 0 5,67·10-4 1

C - 14 Kohlenstoff-14 A 3,84·10-12 0

C - 14 Kohlenstoff-14 GB 0 0 3,84·10-12 0

C - 14 Kohlenstoff-14 R 0 0 3,84·10-12 0

N - 13 Stickstoff-13 L 0 0 1,16·10-3 1

N - 16 Stickstoff-13 L 0 0 9,72·10-2 0

O - 15 Sauerstoff-15 L 0 0 5,67·10-3 1

F - 18 Flour-18 A 1,05·10-4 1

S - 35 Schwefel A 9,1810-8 0

Ar - 41 Argon-41 E 0 0 1,05·10-4 1

Ca - 41 Calcium-41 A 1,57·10-13 0

Ca - 45 Calcium-45 A 4,92·10-8 0

Cr - 51 Calcium-51 A 2,90·10-7 0,97

Mn - 54 Mangan-54 A 2,57·10-8 1

Fe - 55 Eisen-55 A 8,14·10-9 0

Fe - 59 Eisen-59 A 1,80·10-7 0,99

Co - 57 Kobalt-57 A 2,97·10-8 0,01

Co - 58 Kobalt-58 A 1,13·10-7 1

Co - 60 Kobalt-60 A 4,18·10-9 1

Siehe Tabelle 2

Nuklid

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2


5

Name Form

Washout-

Koeffizient

in 1/s

Depositions-

geschwindig-

keit in m/s

Zerfallskon-

stante in 1/s

Anteil >

0,2 MeV

Ni - 59 Nickel-59 A 2,93·10-13 0

Ni - 63 Nickel-63 A 2,29·10-10 0

Zn - 65 Zink-65 A 3,29·10-8 1

Se - 75 Selen-75 A 6,70·10-8 0,7

Br - 82 Brom-82 A 5,45·10-6 1

Kr - 85m Krypton-85m E 0 0 4,30·10-5 0,27

Kr - 85 Krypton-85 E 0 0 2,05·10-9 0,81

Kr - 87 Krypton-87 E 0 0 1,52·10-4 0,99

Kr - 88 Krypton-88 E 0 0 6,78·10-5 0,97

Kr - 89 Krypton-89 E 0 0 3,61·10-3 1

Rb - 88 Rubidium-88 A 6,49·10-4 0,99

Sr - 89 Strontium-89 A 1,59·10-7 1

Sr - 90 Strontium-90 A 7,55·10-10 0

Y - 90 Yttrium-90 A 3,00·10-6 0

Y - 91 Yttrium-91 A 1,37·10-7 1

Zr - 93 Zirconium-93 A 1,44·10-14 0

Zr - 95 Zirconium-95 A 1,25·10-7 1

Nb - 95 Niob-95 A 2,28·10-7 1

Tc - 99m Technetium-99m A 3,21·10-5 0

Tc - 99 Technetium-99 A 1,03·10-13 0

Ru - 103 Ruthenium-103 A 2,04·10-7 1

Ru - 106 Ruthenium-106 A 2,19·10-8 0

Ag - 110m Silber-110m A 3,21·10-8 1

Sb - 124 Antimon-124 A 7,93·10-9 0,94

Sb - 125 Antimon-125 A 6,70·10-8 0

Sb - 125 Antimon-127 A 2,08·10-6 1

Te - 123m Tellur-123m A 1,34·10-7 1

Te - 131m Tellur-131m A 6,42·10-6 0,98

Te - 132 Tellur-132 A 2,47·10-6 0,86

I - 131 Jod-131 L 7·10-5 0,01 9,98·10-7 0,99

I - 131 Jod-131 R 7·10-7 0,0001 9,98·10-7 0,99

I - 131 Jod-131 A 9,98·10-7 0,99

I - 132 Jod-132 L 7·10-5 0,01 8,37·10-5 1

I - 132 Jod-132 R 7·10-7 0,0001 8,37·10-5 1

I - 132 Jod-132 A 8,37·10-5 1

I - 133 Jod-133 L 7·10-5 0,01 9,26·10-6 1

I - 133 Jod-133 R 7·10-7 0,0001 9,26·10-6 1

I - 133 Jod-133 A 9,26·10-6 1

I - 134 Jod-134 L 7·10-5 0,01 2,20·10-4 1

I - 134 Jod-134 R 7·10-7 0,0001 2,20·10-4 1

I - 134 Jod-134 A 2,20·10-4 1

Siehe Tabelle 2

Nuklid

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2


Name Form

Washout-

Koeffizient

in 1/s

Depositions-

geschwindig-

keit in m/s

Zerfallskon-

stante in 1/s

Anteil >

0,2 MeV

I - 135 Jod-135 L 7·10-5 0,01 2,91·10-5 1

I - 135 Jod-135 R 7·10-7 0,0001 2,91·10-5 1

I - 135 Jod-135 A 2,91·10-5 1

Xe - 131m Xenon-131m E 0 0 6,74·10-7 0

Xe - 133m Xenon-133m E 0 0 3,55·10-6 0,57

Xe - 133 Xenon-133 E 0 0 1,53·10-6 0

Xe - 135m Xenon-135m E 0 0 7,56·10-4 0,99

Xe - 135 Xenon-135 E 0 0 2,12·10-5 0,99

Xe - 137 Xenon-137 E 0 0 2,96·10-3 1

Xe - 138 Xenon-138 E 0 0 8,15·10-4 0,99

Cs - 134 Caesium-134 A 1,07·10-8 1

Cs - 137 Caesium-137 A 7,32·10-10 0

Ba - 140 Barium-140 A 6,30·10-7 0,92

La - 140 Lanthan-140 A 4,79·10-6 1

Ce - 141 Cer-141 A 2,48·10-7 0

Ce - 144 Cer-144 A 2,82·10-8 0

Pm - 147 Promethium-147 A 8,38·10-9 0

Eu - 154 Europium-154 A 2,50·10-9 0,95

Hg - 203 Quecksilber-203 A 1,72·10-7 0,96

Hg - 203 Quecksilber-203 L 7·10-5 0,01 1,72·10-7 0,96

Hg - 203 Quecksilber-203 R 7·10-7 0,0001 1,72·10-7 0,96

Rn - 222 Radon-222 E 0 0 2,10·10-6 1

Pb - 210 Blei-210 A 9,87·10-10 0

Po - 210 Polonium-210 A 5,80·10-8 1

U - 234 Uran-234 A 8,99·10-14 0

U - 235 Uran-235 A 2,98·10-17 0,08

U - 238 Uran-238 A 4,92·10-18 0

Pu - 238 Plutonium-238 A 2,51·10-10 0

Pu - 239 Plutonium-239 A 9,13·10-13 0,03

Pu - 240 Plutonium-240 A 3,36·10-12 0

Pu - 241 Plutonium-241 A 1,53·10-9 0

Am - 241 Americium-241 A 5,09·10-11 0

Am - 242 Americium-242 A 1,45·10-10 0

Am - 243 Americium-243 A 2,98·10-12 0

Cm - 242 Curium-242 A 4,93·10-8 0

Cm - 243 Curium-243 A 7,71·10-10 0

Cm - 244 Curium-244 A 1,42·10-9 0Siehe Tabelle 2

Nuklid

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2

Siehe Tabelle 2


7

Die für die Form in Tabelle 1verwendeten Abkürzungen bedeuten:

A Schwebstoff (früher Aerosol)

E Edelgas

G gasförmig

GB gasförmig als CO2

L elementare Form

R organisch

W Wasser

Die bei der Ableitung der Emissionen vorliegenden Freisetzungsbedingungen sind zu

berücksichtigen.

Die Emissionsparameter der Emissionsquelle (Emissionsmassenstrom, Abgastemperatur,

Abgasvolumenstrom) sind als Stundenmittelwerte anzugeben. Bei zeitlichen Schwankungen

der Emissionsparameter, z.B. bei Chargenbetrieb, sind diese als Zeitreihe anzugeben. Ist

eine solche Zeitreihe nicht verfügbar oder verwendbar, sind die beim bestimmungsgemäßen

Betrieb für die Luftreinhaltung ungünstigsten Betriebsbedingungen einzusetzen. Hängt die

Quellstärke von der Windgeschwindigkeit ab (windinduzierte Quellen), so ist dies

entsprechend zu berücksichtigen.

3 Radioaktiver Zerfall

Der während des Ausbreitungsprozesses wirkende radioaktive Zerfall der Radionuklide wird

über die aus Tabelle 1 zu entnehmenden Zerfallskonstanten berücksichtigt.

Bei diesem Modelltyp wird das Schicksal von einzelnen Partikeln verfolgt, d.h. man kennt

von jeder für eine bestimmte Anzahl von Atomen repräsentativen Untermenge jeweils ihren

Ort und die seit der Freisetzung verstrichene Zeit. Daraus und aus der stoffspezifischen

Zerfallskonstante kann zu jedem Zeitpunkt eine Wahrscheinlichkeit für den Zerfall eines

jeden Partikels angegeben werden und damit der Zerfall per Zufallsgenerator gesteuert

werden.

Der Aufbau von radioaktiven Tochternukliden wird bei der Ausbreitungsrechnung nicht

berücksichtigt. (Siehe dazu auch ARTM Programmbeschreibung, Postprozessor Radon.exe).

Die Berücksichtigung der Tochternuklide bei der Berechnung der Strahlenexposition kann

mit einem nachgeschalteten Dosismodul, zum Beispiel das vom Bundesamt für


Strahlenschutz entwickelte DARTM, nach Maßgabe der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift

zu § 47 StrlSchV1) erfolgen.

4 Ausbreitungsrechnung für radioaktive Gase

Bei nicht deponierenden Gasen ist die Ausbreitungsrechnung ohne Berücksichtigung von

Deposition durchzuführen. Bei Gasen, die trocken oder nass deponieren können, sind die in

Tabelle 1 angegebenen Werte für die Depositionsgeschwindigkeit 2) vd sowie für die

Washoutkoeffizienten 0 zu verwenden.

5 Ausbreitungsrechnung für radioaktive Stäube

Bei der Ausbreitungsrechnung für radioaktive (Schwebstoffe) Stäube sind trockene und

nasse Deposition sowie Sedimentation für die in Tabelle 1 den Schwebstoffen zugeordneten

Radionuklide zu berücksichtigen. Die dabei zu verwendenden Depositions- und

Sedimentationsgeschwindigkeiten und Washoutkoeffizienten finden sich in Tabelle 1 und

Tabelle 2. Die Ausbreitungsrechnung ist für folgende Größenklassen der

Korngrößenverteilung, angegeben als aerodynamischer Durchmesser da, des

Emissionsmassenstromes durchzuführen, wobei jeweils die angegebenen Werte von

Depositionsgeschwindigkeit vd und Sedimentations-geschwindigkeit vs zu verwenden sind.

1 Entwurf der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zu § 47 Strahlenschutzverordnung: Ermittlung der

Strahlenexposition durch die Ableitung radioaktiver Stoffe aus kerntechnischen Anlagen oder Einrichtungen (Entwurf der AVV zu § 47 StrlSchV vom 13.05.2005)

2 In der TA Luft bezeichnet vd die Depositionsgeschwindigkeit. Dagegen verwendet der Entwurf der

Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zu § 47 Strahlenschutzverordnung für die Depositionsgeschwindigkeit die Bezeichnung vg.


9

Tabelle 2 Depositions- und Sedimentationsgeschwindigkeiten sowie stoffspezifischer

Washoutkoeffizient für die Niederschlagsintensität I0 = 1 mm/h für Stäube

Klasse da in µm

Depositions-

geschwindigkeit

vd in m/s

Sedimentations-

geschwindigkeit

vs in m/s

Washoutkoeffizient 0 in 1/s

für Niederschlagsintensität

I0=1mm/h

1 kleiner 2,5 0,001 0,00 1 10-4

2 2,5 bis 10 0,01 0,00 2 10-4

3 10 bis 50 0,05 0,04 3 10-4

4 größer 50 0,20 0,15 4 10-4

u größer 10 0,07 0,06 3 10-4

Die Ausbreitungsrechnung für eine Korngrößenklasse ist mit dem Emissionsmassenstrom

der betreffenden Korngrößenklasse durchzuführen. Für die Berechnung der Deposition des

gesamten Staubes sind die Depositionswerte der Korngrößenklassen zu addieren. Die

Einzelwerte der Konzentration für PM-10 (aerodynamischer Durchmesser kleiner als 10 µm)

bestehen aus der Summe der Einzelwerte der Konzentration der Korngrößenklassen 1 und

2.

Ist die Korngrößenverteilung nicht im Einzelnen bekannt, dann ist PM–10 wie Staub der

Klasse 2 zu behandeln. Für Staub mit einem aerodynamischen Durchmesser größer als

10 µm aber ansonsten unbekannter Größenverteilung wird die Klasse „u“ (unbekannt)

verwendet.

5.1 Sedimentation und trockene Deposition

Die Berechnung der Sedimentation und trockenen Deposition erfolgt gemäß der eingangs

erwähnten Richtlinie VDI 3945 Blatt 3 (Ausgabe September 2000). Die verwendeten

Sedimentations- und Depositionsgeschwindigkeiten sind in Tabelle 1 beziehungsweise

Tabelle 2 angegeben.

5.2 Nasse Deposition

Die Berechnung der nassen Deposition erfolgt in ARTM analog dem Verfahren in der AVV zu

47 StrlSchV. Demnach ist die Bodenkontaminationsrate durch Niederschlag (in Bq/m²·s


proportional der über die z-Koordinate integrierten Konzentrationsverteilung. Der

Proportionalitätsfaktor ist der Washoutkoeffizient in s-1.

Es ist = 0(I/I0)

mit stoffspezifischer Exponent

0: stoffspezifischer Washoutkoeffizient für die Niederschlagsintensität I0

I: Niederschlagsintensität in mm/h

I0: Niederschlagsintensität 1 mm/h

Für die einzelnen Radionuklide sind die stoffspezifischen Washoutkoeffizienten in der

Tabelle 1 angegeben. Für die verschiedenen Partikelgrößen finden sich die

Washoutkoeffizienten in Tabelle 2.

6 Bestimmung der Gammawolkenstrahlung (Gammasubmersion)

Auf Grund der zu erwartenden Quellterme muss die Strahlenexposition in Folge

Gammasubmersion (Gammawolkenstrahlung) als möglicher Expositionspfad betrachtet

werden. Aus diesem Grunde wurde das Modell ARTM für entsprechende

Dosisberechnungen erweitert. Die VDI-Richtlinie 3945, Blatt 3 /VDI 00/ enthält den Vorschlag

für einen Algorithmus zur Berechnung der Gammasubmersion, dessen Implementierung in

ARTM vorgenommen wurde.

Bei radioaktiven Stoffen, die Gammastrahlen aussenden, sind zur Berechnung der

Gammawolkenstrahlung an einem Aufpunkt x die Beiträge von allen Punkten x’ der

Schadstoffwolke aufzuintegrieren. In der Regel wird die Gammasubmersion G(x) nur für

Aufpunkte am Erdboden (z = 0) berechnet. Gibt man die Quellstärke in Bq/s an, dann erhält

man yxG , aus der Konzentrationsverteilung xc gemäß der AVV zu § 47 StrlSchV in der

Einheit Bq m-2 nach folgender Gleichung

x4

exp,~

x, 3

2d

R

RSzKRBcyxG

mit 22yyxxS in m

und 222zyyxxR in m.


11

Der Gesamtschwächungskoeffizient , der Dosisaufbaufaktor RB und der Korrekturfaktor

für den Einfluss des Bodens SzK ,~

hängen von der Energie der Gammastrahlen ab

(siehe Tabelle 3 bis Tabelle 6). Die Gammasubmersionsdosis erhält man aus yxG , durch

Multiplikation mit dem nuklidspezifischen Dosisleistungsfaktor in Svm²/(Bqs) und Integration

über die Expositionszeit.

Mit dem Partikelmodell wird die dreidimensionale Konzentrationsverteilung xc in Form von

Mittelwerten ijkc in Bq/m³ über die Volumenelemente ijk~

des räumlichen Auszählgitters

berechnet. Die Gammasubmersion wird für Mittelpunkte 0,, lmlm yx der Maschen auf dem

Erdboden berechnet:

kji

ijklmijklmlm EcyxG,,

,

mit der Einflussmatrix ijklmE in m

ijk

dR

RSzKRBE

lm

lmlmlmijklm ~

3

2x

4

exp,

22yyxxS lmlmlm in m horizontaler Abstand zwischen den

Mittelpunkten der Gittermaschen

222zyyxxR lmlmlm in m Abstand zwischen Mittelpunkt der

bodennahen Masche mit Koordinaten 0,, lmlm yx und Mittelpunkt der

Masche mit Koordinaten zyx ,, .

In ebenem Gelände ist die Einflussmatrix ijklmE nur eine Funktion von li , mj und k. Sie

hängt nicht von der aktuellen Konzentrationsverteilung ab, sondern vom räumlichen Gitter.

Solange man mit demselben Auszählgitter rechnet, braucht man die Einflussmatrix ijklmE nur

einmal auszurechnen und kann dann mit der Gleichung zur Berechnung von lmlm yxG , für

jede Verteilung ijkc die Gammasubmersion berechnen.

Die Hauptaufgabe besteht also in der Bestimmung der Elemente der Einflussmatrix ijklmE .

Hier wird nur die Anwendung auf ebenes Gelände diskutiert, so dass sich die Einflussmatrix

reduziert auf

11ijkijk EE .

Bei dem Element 111E liegt der Aufpunkt im Mittelpunkt der Bodenfläche, der Integrand wird

also singulär. Alle anderen Elemente sind unkritisch, für sie ist immer 0>R .

Zur Durchführung der Rechnung ist es zweckmäßig, das Koordinatensystem so zu wählen,

dass sein Nullpunkt mit dem Aufpunkt )ˆ,ˆ( 11 yx zusammenfällt und die Koordinaten auf 1/ zu

normieren:


x =

y =

z =

4=

ijk

ijkE

ddd)(exp),()(= 2 rrsKrBijk

Vijk

mit 222= r

22= s

Für alle Elemente außer 111 kann die Integration als Gauß-Quadratur durchgeführt werden.

Sind na die Abszissen und ng die Gewichte für eine Gauß-Quadratur mit N Punkten

(n = 1…N) über das Intervall von 0 bis 1, dann ist

),,,,,(= 111111Q kkkjjjiiiijk I

2

1=1=1=

Q )(exp),()(=),,,,,(

rrsKrBgggI k

N

k

j

N

j

i

N

i

mit 222= r

22= s

k

j

i

a

a

a

=

=

=

Wenn das Volumen Vijk sehr groß ist oder nahe am Nullpunkt liegt, kann es zur Erhöhung der

numerischen Genauigkeit angebracht sein, das Integrationsvolumen zu unterteilen und die

Gauß-Quadratur über jedes Teilvolumen separat durchzuführen.

Das Element 111 kann nicht durch eine Gauß-Quadratur berechnet werden, da der Integrand

singulär ist. Die Singularität kann man durch Übergang zu räumlichen Polarkoordinaten (

,,r ) beseitigen:

)(cos)(sin= r

)(sin)(sin= r

)(cos= r

dd)(sin=ddd 2r

Mit der Substitution


13

d)(sin=d

)(cos=

erhält man

ddd)(exp),()(=111

111 rrsKrBV

mit r =

rs =

)(sin=1= 2

Bei quadratischen Maschen in und kann man sich zur Berechnung von 111 aus

Symmetriegründen auf den Sektor /40 (Volumen VS) beschränken,

0 ,0 ,0 | ),,( = 11S V

),(8= 11S111 I

)(exp),()(ddd=),(),(~

0

1

0

/4

011S rrrKrBrI

r

Hierbei ist ),(~ r die Länge des Vektors r , der vom Nullpunkt in Richtung ),( bis zum

Rand des Sektors SV verläuft. Das Integral über r kann unter Verwendung der Definition

von B und K in folgender Form geschrieben werden:

rrmrKB

rrrrKrBrI

kir

k

kmi

mki

r

d1)2

1(exp

d)(exp),()(),,ˆ,(~

),(~

0

),(~

011

Fasst man gleiche Potenzen von r zusammen und führt rm 1)2

1(= als neue

Integrationsvariable ein, dann ist

)ˆ(=),,ˆ,(~

11 mnmn

mn

EPrI

nki

nk

kmi

ki

mn mKBP ,

1)(1)2

1(=

d)(exp=)ˆ(ˆ

0

nm

mnE

),(ˆ1)2

1(=),(ˆ rmm

Das Integral nE kann analytisch (rekursiv) berechnet werden:

)(exp)(=)( 1

n

nn nEE


)(exp1=)(0 E

Es bleibt nur noch die Bestimmung der Funktion ),(ˆ r .

Hierbei ist zwischen zwei Fällen zu unterscheiden:

Der Vektor r endet in der senkrechten Randfläche 1= . Er durchläuft also das

Volumen einer Pyramide mit der Grundfläche 111 0 ,0 ,= und der

Spitze im Nullpunkt.

Der Vektor r endet in der horizontalen Deckfläche 1= . Er durchläuft dabei das

Volumen eines Tetraeders mit den Eckpunkten (0,0,0) , ),0,( 11 , ),,( 111 und

)(0,0, 1 .

Die Grenzfläche zwischen diesen beiden Gebieten ist gegeben durch

)(cos

)(cos=)(=

22

1

2

1

11

Mit dieser Fallunterscheidung erhält man:

)(

)()(cos

=),(ˆ

11

11

für

für

r

Das Integral SI über den Sektor SV ist also die Summe aus dem Integral PI über die

Pyramide und dem Integral TI über den Tetraeder,

TPS = III

),,ˆ,(~

d)(

d=),( 11

1

0

/4

011P

rII

),,ˆ,(~

d1

)(d=),( 11

1

/4

011T

rII

Das verbleibende Doppelintegral kann wieder problemlos durch Gauß-Quadratur bestimmt

werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das numerische Ergebnis für TI umso

schlechter wird, je flacher das Volumenelement 111V ist. Für 11 ist es daher

zweckmäßig, das Volumenelement noch einmal zu unterteilen:

),0,,,,(),0,,0,,(2),(2=),(2 1111111Q11111Q11S11S IIII

mit 11F1 <= f


15

11 =

Koeffizienten für die Berechnung der Gammasubmersion

Im Folgenden sind die zur Berechnung der Gammasubmersion erforderlichen Formeln und

Koeffizienten zusammengestellt. Dabei orientiert sich die Nomenklatur weitgehend an den

Ausführungen in Anhang 7 der AVV zu § 47 StrlSchV /AVV 05/. Die Koeffizienten für die

Gammaenergie 1 MeV wurden direkt aus der AVV übernommen. Die für die Gammaenergie

0,1 MeV angegebenen Parameter wurden aus der Fachliteratur bezogen, weil die AVV

hierfür keine Werte angibt.

Dosisaufbaufaktor für -Submersion

Für den Dosisaufbaufaktor in Luft ohne Einfluss des Bodens für die Energie 1 MeV bzw.

0,1 MeV ist folgende Näherungsformel anzuwenden:

5

1

1;111 1m

m

MeVmMeVMeVMeV RbRB

bzw.

5

1

1,0;1,01,01,0 1m

m

MeVmMeVMeVMeV RbRB

mit den Gesamtschwächungskoeffizienten für -Strahlung der Energien 1 MeV bzw. 0,1 MeV

1MeV = 7,7810-3 m-1 bzw. 0,1MeV = 1,8210-2 m-1

Die Koeffizienten b1MeV;m bzw. b0,1MeV;m sind für die Gammaenergien 1 MeV in der Tabelle 3

und für 0,1 MeV in der Tabelle 4 angegeben.

Tabelle 3 Koeffizienten b1MeV;m zur Berechnung des Dosisaufbaufaktors in Luft bei

Gammasubmersion für die Gammaenergie 1 MeV aus /AVV 05/

B1MeV;m

m = 1 m = 2 m = 3 m = 4 m = 5

7,710-1 3,510-1 -4,010-2 3,210-3 -8,210-5

Diese Koeffizienten gelten für den Bereich 1MeV . R < 15, für größere 1MeV . R kann

B1MeV = B1MeV(15) gesetzt werden.


Tabelle 4 Koeffizienten b0,1MeV;m zur Berechnung des Dosisaufbaufaktors in Luft bei

Gammasubmersion für die Gammaenergie 0,1 MeV abgeleitet aus /JAC 84/

B0,1MeV;m

m = 1 m = 2 m = 3 m = 4 m = 5

1,9 1,7 -3,410-2 3,910-2 -2.110-3

Korrekturfaktor für den Einfluss des Bodens bei Gammasubmersion

Der Korrekturfaktor für den Einfluss des Bodens bei Gammasubmersion ist nach folgender

Näherungsformel zu berechnen:

3

0

3

0

11,1112

exp,k m

MeV

k

MeVmkMeVMeVMeV sm

zaszK für 1 MeV

bzw.

3

0

3

0

1,01,0,1,01,01,02

exp,k m

MeV

k

MeVmkMeVMeVMeV sm

zaszK für 0,1 MeV

Die in Tabelle 5 angegebenen Koeffizienten ak,m für die Energien 1 MeV wurden der AVV zu

§ 47 StrlSchV /AVV 05/ entnommen und entsprechen den in einer Arbeit von Jacob et al.

/JAC 85/ angegebenen Werten. Aus dieser Arbeit wurden auch die in Tabelle 6

angegebenen Bodenkorrekturfaktoren für 0,1 MeV entnommen.


17

Tabelle 5 Koeffizienten ak,m zur Berechnung des Korrekturfaktors für den Einfluss des

Bodens bei Gammasubmersion für die Gammaenergie 0,1 MeV

E = 1 MeV m = 0 m = 1 m = 2 m = 3

k = 0 0,485 0,064 1,705 -1,179

1 0,137 1,878 -4,817 2,883

2 -0,0035 -0,8569 2,0527 -1,2552

3 -0,0018 0,0997 -0,2392 0,1503

Tabelle 6 Koeffizienten ak,m zur Berechnung des Korrekturfaktors für den Einfluss des

Bodens bei Gammasubmersion für die Gammaenergie 1,0 MeV

E = 0,1 MeV m = 0 m = 1 m = 2 m = 3

k = 0 0,279 0,595 -0,205 0,622

1 0,135 0,866 -0,716 -0,578

2 -0,0131 -0,324 0,1103 0,2892

3 0,0003 0,0313 -0,0017 -0,0337

7 Bodenrauigkeit

Die Bodenrauhigkeit des Geländes wird durch eine mittlere Rauigkeitslänge z0 beschrieben.

Sie ist nach Tabelle 7 aus den Landnutzungsklassen des CORINE–Katasters 3 zu

bestimmen (die angegebenen Nummern sind die Kennzahlen des CORINE–Katasters).

Tabelle 7 Mittlere Rauhigkeitslänge in Abhängigkeit von den Landnutzungsklassen des CORINE–Katasters

z0 in m CORINE–Klasse

0,01 Strände, Dünen und Sandflächen (331); Wasserflächen (512)

3 „Daten zur Bodenbedeckung der Bundesrepublik Deutschland“ des Statistischen Bundesamtes,

Wiesbaden


0,02 Deponien und Abraumhalden (132); Wiesen und Weiden (231); Natürliches

Grünland (321); Flächen mit spärlicher Vegetation (333); Salzwiesen (421);

In der Gezeitenzone liegende Flächen (423); Gewässerläufe (511);

Mündungsgebiete (522)

0,05 Abbauflächen (131); Sport– und Freizeitanlagen (142); Nicht bewässertes

Ackerland (211); Gletscher und Dauerschneegebiete (335); Lagunen (521)

0,10 Flughäfen (124); Sümpfe (411); Torfmoore (412); Meere und Ozeane (523)

0,20 Straßen, Eisenbahn (122); Städtische Grünflächen (141); Weinbauflächen

(221); Komplexe Parzellenstrukturen (242); Landwirtschaft und natürliche

Bodenbedeckung (243); Heiden und Moorheiden (322); Felsflächen ohne

Vegetation (332 )

0,50 Hafengebiete (123); Obst– und Beerenobstbestände (222); Wald–Strauch–

Übergangsstadien; (324 )

1,00 Nicht durchgängig städtische Prägung (112); Industrie– und

Gewerbeflächen (121); Baustellen (133); Nadelwälder (312)

1,50 Laubwälder (311); Mischwälder (313)

2,00 Durchgängig städtische Prägung (111)

Die Rauhigkeitslänge ist für ein kreisförmiges Gebiet um den Emissionsort festzulegen,

dessen Radius das 10fache der Emissionshöhe beträgt. Setzt sich dieses Gebiet aus

Flächenstücken mit unterschiedlicher Bodenrauhigkeit zusammen, so ist eine mittlere

Rauhigkeitslänge durch arithmetische Mittelung mit Wichtung entsprechend dem jeweiligen

Flächenanteil zu bestimmen und anschließend auf den nächstgelegenen Tabellenwert zu

runden. Es ist zu prüfen, ob sich die Landnutzung seit Erhebung des Katasters wesentlich

geändert hat oder eine für die Immissionsprognose wesentliche Änderung zu erwarten ist.

Variiert die Bodenrauhigkeit innerhalb des zu betrachtenden Gebietes sehr stark, ist der

Einfluss des verwendeten Wertes der Rauhigkeitslänge auf die berechneten

Immissionsbeiträge zu prüfen.


19

8 Effektive Quellhöhe

Die effektive Quellhöhe ist gemäß Richtlinie VDI 3782 Blatt 3 (Ausgabe Juni 1985) zu

bestimmen. Der emittierte Wärmestrom M in MW wird nach folgender Formel berechnet:

M = 1,3610-3R’ (T – 283,15 K) (1)

Hierbei ist M der Wärmestrom in MW, R’ der Volumenstrom des Abgases (f) im Normzustand

in m3/s und T die Abgastemperatur in K.

Bei der Ableitung der Abgase über Kühltürme ist nach Richtlinie VDI 3784 Blatt 2 (Ausgabe

März 1990) entsprechend zu verfahren.

9 Rechengebiet und Aufpunkte

Das Rechengebiet für eine einzelne Emissionsquelle ist das Innere eines Kreises um den Ort

der Quelle, dessen Radius das 50fache der Emissionshöhe ist. Tragen mehrere Quellen zur

zusätzlichen Strahlenexposition bei, dann besteht das Rechengebiet aus der Vereinigung

der Rechengebiete der einzelnen Quellen. Bei besonderen Geländebedingungen kann es

erforderlich sein, das Rechengebiet größer zu wählen.

Das Raster zur Berechnung von Aktivitätskonzentration, Deposition und dem Produkt aus

Emissionsmassenstrom und Kurzzeitausbreitungsfaktor für Gammasubmersion ist so zu

wählen, dass Ort und Betrag der Immissionsmaxima mit hinreichender Sicherheit bestimmt

werden können. Dies ist in der Regel der Fall, wenn die horizontale Maschenweite die

Emissionshöhe nicht überschreitet. In Quellentfernungen größer als das 10fache der

Emissionshöhe kann die horizontale Maschenweite proportional größer gewählt werden.

Die Aktivitätskonzentration an den Aufpunkten ist als Mittelwert über ein vertikales Intervall

vom Erdboden bis 3 m Höhe über dem Erdboden zu berechnen und ist damit repräsentativ

für eine Aufpunkthöhe von 1,5 m über Flur. Die so für ein Volumen oder eine Fläche des

Rechengitters berechneten Mittelwerte gelten als Punktwerte für die darin enthaltenen

Aufpunkte.


10 Meteorologische Daten

10.1 Allgemeines

Meteorologische Daten sind als Stundenmittel anzugeben, wobei die Windgeschwindigkeit

vektoriell zu mitteln ist. Die verwendeten Werte sollen für den Standort der Anlage

charakteristisch sein. Liegen keine Messungen am Standort der Anlage vor, sind Daten einer

geeigneten Station des Deutschen Wetterdienstes oder einer anderen entsprechend

ausgerüsteten Station zu verwenden. Die Übertragbarkeit dieser Daten auf den Standort der

Anlage ist zu prüfen; dies kann z.B. durch Vergleich mit Daten durchgeführt werden, die im

Rahmen eines Standortgutachtens ermittelt werden. Messlücken, die nicht mehr als 2

Stundenwerte umfassen, können durch Interpolation geschlossen werden. Die Verfügbarkeit

der Daten soll mindestens 90 vom Hundert der Jahresstunden betragen.

Die vom Partikelmodell benötigten meteorologischen Grenzschichtprofile sind gemäß

Richtlinie VDI 3783 Blatt 8 zu bestimmen. Hierzu werden die in Tabelle 8 angegebenen

Größen benötigt.

Tabelle 8: Größen für meteorologische Grenzschichtprofile

ra Windrichtung in Anemometerhöhe ha

ua Windgeschwindigkeit in Anemometerhöhe ha

LM Monin–Obukhov–Länge

hm Mischungsschichthöhe

Z0 Rauhigkeitslänge

D0 Verdrängungshöhe

10.2 Windrichtung

Die Windrichtung ist die Richtung, aus der der Wind weht, und ist in Anemometerhöhe als

Winkel gegen die Nordrichtung im Uhrzeigersinn gradgenau anzugeben. Enthält die für die

Ausbreitungsrechnung verwendete meteorologische Zeitreihe nur gerundete Werte der

Windrichtung (Sektorangaben), dann ist hilfsweise in der Ausbreitungsrechnung eine

gleichverteilt zufällige Windrichtung aus dem betreffenden Sektor zu verwenden.


21

Bei umlaufenden Winden ist eine gleichverteilt zufällige Windrichtung aus dem Bereich 1° bis

360° zu wählen. Für Intervalle mit Windstille bis zu 2 Stunden Dauer ist die Windrichtung

durch lineare Interpolation zwischen dem letzten Wert vor Beginn der Windstille und dem

ersten Wert nach Ende der Windstille zu bestimmen. Für Intervalle größer als zwei Stunden

ist die Windrichtung entsprechend der Windrichtungsverteilung für Windgeschwindigkeiten

bis zu 1,2 m/s zufällig zu wählen.

Es ist eine Drehung D der Windrichtung r in der Mischungsschicht in Abhängigkeit von der

Höhe z über dem Erdboden gemäß der Formeln 2 und 3 zu berücksichtigen:

r(z) = ra + D(z) - D(ha) (2)

D(z) = 1,23 Dh[1-exp(-1,75 z/hm)] (3)

Der Wert von Dh ist in Abhängigkeit von der Monin–Obukhov–Länge LM (Kapitel 10.5) und

der Mischungsschichthöhe hm (Kapitel 10.6) der Tabelle 9 zu entnehmen.

Tabelle 9 Bestimmung von Dh

Dh in Grad Stabilitätsbereich

0 hm/LM < -10

45 + 4,5 hm/LM -10 < hm/LM < 0

45 LM > 0

Für Höhen oberhalb der Mischungsschichthöhe ist die Windrichtung in

Mischungsschichthöhe zu verwenden.

10.3 Windgeschwindigkeit

Die Windgeschwindigkeit in Anemometerhöhe ist in m/s mit einer Nachkommastelle

anzugeben. Ist in der meteorologischen Zeitreihe die Windgeschwindigkeit in Stufen größer

als 0,1 m/s angegeben, dann ist hilfsweise für die Ausbreitungsrechnung eine gleichverteilt

zufällige Geschwindigkeit aus dem Stufenbereich auszuwählen.

Bei Windstille und bei Windgeschwindigkeiten unter 0,8 m/s in Anemometerhöhe ist für die

Windgeschwindigkeit in Anemometerhöhe ein rechnerischer Wert von 0,7 m/s zu verwenden.


10.4 Niederschlag

Zeitreihen der Regenniederschlagsmengen in mm werden mit einem 3-stelligen Code nach

dem Synop-Schlüssel des DWD angegeben (Siehe Kapitel 6 der ARTM-Pro-

grammbeschreibung).

10.5 Monin–Obukhov–Länge

Die Stabilität der atmosphärischen Schichtung wird durch Angabe der Monin–Obukhov–

Länge LM festgelegt. Ist der Wert der Monin–Obukhov–Länge nicht bekannt, dann ist eine

Ausbreitungsklasse nach Klug/Manier nach Richtlinie VDI 3782 Blatt 1 (Ausgabe Dezember

2001) zu bestimmen und die Monin–Obukhov–Länge in Meter ist gemäß Tabelle 10 zu

setzen. Dabei wird die in Tabelle 10 dargestellte Zuordnung zwischen Ausbreitungsklassen

und Diffusionskategorien getroffen.

Tabelle 10 Bestimmung der Monin–Obukhov–Länge LM

Ausbreitungsklasse

nach Klug/Manier

bzw.

Diffusionskategorie

Rauhigkeitslänge z0 in m

0,01 0,02 0,05 0,10 0,20 0,50 1,00 1,50 2,00

I F (sehr stabil) 7 9 13 17 24 40 65 90 118

II E (stabil) 25 31 44 60 83 139 223 310 406

III/1 D (indifferent) 99999 99999 99999 99999 99999 99999 99999 99999 99999

III/2 C (indifferent) -25 -32 -45 -60 -81 -130 -196 -260 -326

IV B (labil) -10 -13 -19 -25 -34 -55 -83 -110 -137

V A (sehr labil) -4 -5 -7 -10 -14 -22 -34 -45 -56

Der Wert der Monin–Obukhov–Länge an der Grenze zwischen zwei Ausbreitungsklassen ist

das harmonische Mittel der Werte in den benachbarten Ausbreitungsklassen, d.h. der

reziproke Wert wird durch arithmetische Mittelung der reziproken Werte bestimmt. Diese

Klassengrenzen sind zu verwenden, wenn auf Ausbreitungsklassen nach Klug/Manier

explizit Bezug genommen wird.


23

10.6 Mischungsschichthöhe

Ist die Mischungsschichthöhe nicht bekannt, ist sie nach folgendem Verfahren festzulegen.

Für Werte der Monin–Obukhov–Länge aus dem Bereich der Ausbreitungsklassen IV und V

ist mit einem Wert der Mischungsschichthöhe hm von 1 100 m zu rechnen. Sonst ist mit

einem Wert von 800 m zu rechnen, es sei denn, Formel 4 ergibt einen kleineren Wert:

(4)

0für α

für α

*

1/2

*

*

**

c

M

Mc

c

c

M

c

m

f

uL

u

Lf

f

u

f

uL

f

u

h

Hierbei ist α gleich 0,3 und der Coriolis–Parameter fc gleich 10-4 s-1. Die

Schubspannungsgeschwindigkeit u ist aus dem Windprofil des meteorologischen

Grenzschichtmodells zu bestimmen.

10.7 Verdrängungshöhe

Die Verdrängungshöhe d0 gibt an, wie weit die theoretischen meteorologischen Profile

aufgrund von Bewuchs oder Bebauung in der Vertikalen zu verschieben sind. Die

Verdrängungshöhe ist als das 6fache der Rauhigkeitslänge z0 (Kapitel 7) anzusetzen, bei

dichter Bebauung als das 0,8fache der mittleren Bebauungshöhe. Unterhalb der Höhe

6 z0 + d0 ist die Windgeschwindigkeit bis zum Wert Null bei z gleich Null linear zu

interpolieren; alle anderen meteorologischen Parameter sind konstant zu halten.

11 Berücksichtigung der statistischen Unsicherheit

Die mit dem hier beschriebenen Verfahren berechneten Jahres- und Halbjahresmittelwerte

für die Aktivitätskonzentration, die Deposition und das Produkt aus Emissionsmassenstrom

und Kurzzeitausbreitungsfaktor für die Gammasubmersion besitzen aufgrund der

statistischen Natur des in der Richtlinie VDI 3945 Blatt 3 (Ausgabe September 2000)

angegebenen Verfahrens eine statistische Unsicherheit. Es ist darauf zu achten, dass die

modellbedingte statistische Unsicherheit, berechnet als statistische Streuung des

berechneten Wertes, bei den Jahres-Immissionskennwerten (Jahresmittelwerte) 3 vom

Hundert des Jahres-Immissionswertes nicht überschreitet. Die gleiche Genauigkeit ist bei der

Bestimmung der Immissionskennwerte für das Sommerhalbjahr (Vegetationsperiode)


einzuhalten. Gegebenenfalls ist die statistische Unsicherheit durch eine Erhöhung der

Partikelzahl zu reduzieren.

12 Berücksichtigung von Bebauung

Einflüsse von Bebauung auf die Immission im Rechengebiet sind zu berücksichtigen. Beträgt

die Emissionshöhe mehr als das 1,2fache der Gebäudehöhen oder haben Gebäude, für die

diese Bedingung nicht erfüllt ist, einen Abstand von mehr als dem 6fachen ihrer Höhe von

der Emissionsquelle, kann in der Regel folgendermaßen verfahren werden:

a) Beträgt die Emissionshöhe mehr als das 1,7fache der Gebäudehöhen, ist die

Berücksichtigung der Bebauung durch Rauhigkeitslänge (Kapitel 7) und

Verdrängungshöhe (Kapitel 10.7 dieses Anhangs) ausreichend.

b) Beträgt die Emissionshöhe weniger als das 1,7fache der Gebäudehöhen und ist eine

freie Abströmung gewährleistet, können die Einflüsse mit Hilfe eines diagnostischen

Windfeldmodells für Gebäudeumströmung berücksichtigt werden.

Maßgeblich für die Beurteilung der Gebäudehöhen nach Buchstabe a) oder b) sind alle

Gebäude, deren Abstand von der Emissisonsquelle geringer ist als das 6fache der

Schornsteinbauhöhe.

13 Berücksichtigung von Geländeunebenheiten

Unebenheiten des Geländes sind in der Regel nur zu berücksichtigen, falls innerhalb des

Rechengebietes Höhendifferenzen zum Emissionsort von mehr als dem 0,7fachen der

Emissionshöhe und Steigungen von mehr als 1:20 auftreten. Die Steigung ist dabei aus der

Höhendifferenz über eine Strecke zu bestimmen, die dem 2fachen der Emissionshöhe

entspricht.

Geländeunebenheiten können in der Regel mit Hilfe eines mesoskaligen diagnostischen

Windfeldmodells berücksichtigt werden, wenn die Steigung des Geländes den Wert 1:5 nicht

überschreitet und wesentliche Einflüsse von lokalen Windsystemen oder anderen

meteorologischen Besonderheiten ausgeschlossen werden können.


25

14 Verwendung einer Häufigkeitsverteilung der stündlichen

Ausbreitungssituationen

Eine Häufigkeitsverteilung der stündlichen Ausbreitungssituationen kann verwendet werden,

sofern mittlere Windgeschwindigkeiten von weniger als 1 m/s im Stundenmittel am Standort

der Anlage in weniger als 20 vom Hundert der Jahresstunden auftreten. Eine

Ausbreitungssituation ist durch Windgeschwindigkeitsklasse, Windrichtungssektor,

Niederschlags- und Ausbreitungsklasse bestimmt.

Die Windgeschwindigkeiten ua in Anemometerhöhe ha sind wie in Tabelle 11 angegeben zu

klassieren.

Tabelle 11 Klassierung der Windgeschwindigkeiten

Windgeschwindigke

itsklasse

Windgeschwindigkeit

ua in ms–1

Rechenwert

uR in ms–1

1 < 1,4 1

2 1,4 bis 1,8 1,5

3 1,9 bis 2,3 2

4 2,4 bis 3,8 3

5 3,9 bis 5,4 4,5

6 5,5 bis 6,9 6

7 7,0 bis 8,4 7,5

8 8,5 bis 10,0 9

9 > 10,0 12

Die Windrichtung ist in 36 Sektoren zu je 10° zu klassieren. Der erste Sektor umfasst die

Windrichtungen 6° bis 15°, die weiteren Sektoren folgen im Uhrzeigersinn. Bei der

Windgeschwindigkeitsklasse 1 ist die Verteilung auf die Windrichtungssektoren wie bei der

Windgeschwindigkeitsklasse 2 maßgebend.

Die Fälle mit umlaufenden Winden werden der entsprechenden Ausbreitungs- und

Windgeschwindigkeitsklasse zugeordnet; die Verteilung auf die Windrichtungssektoren ist


entsprechend der Windrichtungsverteilung in der jeweiligen Windgeschwindigkeitsklasse

vorzunehmen.

Die Ausbreitungsklasse ist gemäß Richtlinie VDI 3782 Blatt 1 Anhang A (Ausgabe Dezember

2001) zu bestimmen.

Die Regenniederschlagsraten sind wie in Tabelle 12 angegeben klassiert.

Tabelle 12: Klassierung der Niederschlagsraten

Niederschlagsrate in mm/h

Niederschlagsklasse Bereich repräs. Wert IR

1 0,00 - 0,01 0,0

2 0,01 - 0,50 0,2

3 0,50 - 3,00 1,8

4 > 3,00 5

Für jede in der Häufigkeitsverteilung mit einer Eintrittswahrscheinlichkeit größer Null

aufgeführte Ausbreitungssituation ist nach dem für die Zeitreihenrechnung angegebenen

Verfahren eine zeitunabhängige Ausbreitungsrechnung durchzuführen. Dabei sind als

Windgeschwindigkeit ua der Rechenwert uR und als Regenrate der repräsentative Wert IR zu

verwenden. Die Ausbreitungsrechnung für einen Windrichtungssektor von 10° ist in Form

von Rechnungen über 5 Windrichtungen im Abstand von jeweils 2° durchzuführen mit

arithmetischer Mittelung der Ergebnisse. Für den ersten Sektor sind dies die Windrichtungen

6°, 8°, 10°, 12°, 14° und entsprechend bei den folgenden Sektoren.

Die Langzeitmittelwerte, d.h. der Jahresmittelwert bzw. der übers Sommerhalbjahr gebildete

Mittelwert von Aktivitätskonzentration, Deposition und dem Produkt aus

Emissionsmassenstrom und Kurzzeitausbreitungsfaktor für Gammasubmersion sind die

Mittelwerte der mit den Eintrittswahrscheinlichkeiten gewichteten Aktivitätskonzentrations-

bzw. Depositionswerte sowie der Werte des Kurzzeitausbreitungsfaktors für

Gammasubmersion, die für die einzelnen Ausbreitungssituationen berechnet werden.


27

15 Berücksichtigung der Vegetationsperiode (Sommerhalbjahr)

Die Berücksichtigung der Vegetationsperiode in ARTM erfolgt durch die Auswahl der

meteorologischen Eingangsdaten. Diese können entweder aus Zeitreihen der Messgrößen

Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Ausbreitungsklasse und Regenrate oder aus

entsprechenden aufbereiteten 4-parametrigen Statistiken bestehen. Soll für die

Vegetationsperiode (Sommerhalbjahr, d.h. vom 01.Mai bis zum 31. Oktober) gerechnet

werden, so sind ARTM als meteorologische Eingangsdaten nur die für das Sommerhalbjahr

gültigen Zeitreihen bzw. Statistiken vorzugeben.

GRS - A – 3637

Erweiterung und




AVV und SBG

Anhang B

ARTM-

Programmbeschreibung


ARTM

Atmosphärisches Radionuklid-Transport-Modell mit der graphischen Benutzeroberfläche GO-ARTM

Programmbeschreibung zu Version 2.6.4 (GO-ARTM Version 1.09)

Stand 2011-11-30

Reinhard Martens Cornelia Richter Martin Sogalla Harald Thielen

Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH, Köln

im Auftrag des Bundesamtes für Strahlenschutz

Vorbemerkung

ATRM basiert auf dem Programm AUSTAL2000 (www.austal2000.de) des

Ingenieurbüros Janicke (http://www.janicke.de). Dieses stellt eine beispielhafte

Umsetzung der Vorgaben des Angangs 3 der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der

Luft dar. Dort wird die Anwendung eines Lagrangeschen Partikelmodells nach der VDI

Richtlinie 3945, Blatt 3, für die Ausbreitungsrechnung festgelegt.

Diese Programmbeschreibung von ARTM, einem Lagrangeschen Partikelmodell zur

Ausbreitungsrechnung von Radionukliden in der Luft, lehnt sich in großen Teilen an die

Programmbeschreibung von AUSTAL2000, Version 2.5 vom 04.08.2011 beziehungsweise

die Programmbeschreibung der AUSTAL2000 Version 2.2.11 vom 25.03.2006 an. Aus

Gründen der besseren Lesbarkeit und Übersichtlichkeit wurde darauf verzichtet, die

zahlreichen übereinstimmenden Stellen als Zitate zu markieren. Die AUSTAL2000

Programmbeschreibungen sind über die oben angegebene Webseite verfügbar.

http://www.austal2000.de/

http://www.janicke.de/

ARTM 2.6.4 Programmbeschreibung

Inhaltsverzeichnis

1 Übersicht .................................................................................................. 1

2 Verfügbarkeit und Installation ................................................................ 4

2.1 Enthaltene Programme und Dateien .......................................................... 5

3 Arbeitsweise .......................................................................................... 10

4 Eingabedaten für die Ausbreitungsrechnung ...................................... 12

4.1 Optionale Eingabedateien ........................................................................ 14

4.2 Liste der Eingabeparameter für ARTM.txt .............................................. 15

4.2.1 NOSTANDARD-Optionen ........................................................................ 22

4.3 Angabe von Quellstärken und Nuklidliste ................................................. 23

5 Ergebnisse der Ausbreitungsrechnung ............................................... 27

6 Rechnen mit Zeitreihen ......................................................................... 31

6.1 Explizite Zeitreihe .................................................................................... 36

6.2 Ergebnisse............................................................................................... 38

7 Rechnen mit situationsabhängigen Parametern ................................. 40

8 Ausbreitungsrechnung für komplexes Gelände .................................. 42

8.1 Festlegung des Geländeprofils ................................................................ 42

8.2 Festlegung der Gebäude ......................................................................... 45

8.3 Berechnung des Windfeldes .................................................................... 46

8.4 Praktische Durchführung ......................................................................... 48

9 Verwendung extern erzeugter meteorologischer Felder .................... 50

10 Festlegung der Rechennetze ................................................................ 54

11 Ableitung von Abgasen über Schornsteine und Kühltürme ............... 58

12 Die graphische Benutzeroberfläche GO-ARTM ................................... 61

Inhaltsverzeichnis

13 Die Hilfsprogramme dmna_kalk.exe und radon.exe ....................... 67

13.1 Hilfsprogramm dmna_kalk.exe ............................................................. 67

13.2 Radon-Postprozessor radon.exe .......................................................... 69

14 Das dmna-Format ................................................................................... 72

15 Beispiele ................................................................................................. 81

ARTM 2.6.4 Programmbeschreibung 1

1 Übersicht

Das Programm ARTM berechnet die Ausbreitung von radioaktiven Gasen und

Partikeln in der Atmosphäre. Es wurde auf der Basis des Ausbreitungsmodells

AUSTAL2000 zur Berechnung der atmosphärischen Ausbreitung konventioneller

Schadstoffe entwickelt. AUSTAL2000 ist eine Umsetzung von Anhang 3 der TA Luft

vom 24.07.20021. Das dem Programm zu Grunde liegende Modell ist in der Richtlinie

VDI 3945 Blatt 3 beschrieben.

Diese Dokumentation beschreibt die Version 2.6.4 des Programms. Es stehen aktuell

ausführbare Programme für Windows XP und Windows 7 einschließlich der Quelltexte

zur Verfügung. Die Programme sind unter Windows XP entwickelt und auch unter

Windows 7 getestet worden. Eine Unix Version ist derzeit nicht verfügbar.

Im Programm ARTM sind folgende Aspekte realisiert:

Verwendung meteorologischer Zeitreihen zur Zeitreihenrechnung

Verwendung von Wetterstatistiken für Statistikrechnung

alle Radionuklide der KTA 1503.1 sowie ergänzende Radionuklide

Punkt-, Linien-, Flächen- und Volumenquellen

beliebig viele Quellen

Abgasfahnenüberhöhung (nach VDI 3782 Blatt 3, VDI 3784 Blatt 22 oder

explizit vorgegeben)

trockene und nasse Deposition

Gammawolkenstrahlung

sedimentierende Stäube

zeitabhängige Emissionsparameter

1Siehe http://www.bmu.de/files/taluft.pdf

2Die Berechnung der Abgasfahnenüberhöhung nach der Richtlinie VDI 3784 Blatt 2

Ausbreitungsrechnung bei Ableitung von Abgasen über Kühltürme erfordert das Programm

VDISP. Die Windows-Version kann vom VDI kostenlos bezogen werden

(www.vdi.de/vdisp).

http://www.bmu.de/files/taluft.pdf

http://www.vdi.de/vdisp

2 Übersicht

situationsabhängige Emissionsparameter bei Statistikrechnungen

Schätzung der statistischen Unsicherheit

automatische Festlegung des Rechennetzes

Automatische Festlegung von geschachtelten Netzen zur Berücksichtigung der

Quell- und Gebäudekonfiguration

automatische Berechnung der Rauhigkeitslänge z0

Berechnung der Zeitreihe für Beurteilungspunkte

gegliedertes Gelände

Vorgabe von Gebäuden als Quader, Zylinder oder in Form einer Rasterdatei

Berechnung der Gebäudeumströmung mit dem diagnostischen, mesoskaligen

Windfeldmodell TALdiames (TALdia3)

Verifikation nach VDI 3945 Blatt 3

ARTM lässt sich über ein DOS Fenster oder durch Doppelklick auf das Programm-Icon

starten (siehe Kapitel 3) und über einfache ASCII-Text Dateien, in denen die

Parameter für die Ausbreitungsrechnung festgelegt werden, steuern (siehe Kapitel 4).

Zum Programmpaket gehört aber auch die anwenderfreundliche Benutzeroberfläche

GO-ARTM. Mittels dieser können sowohl die Rechenparameter eingebeben werden,

ARTM gestartet und gesteuert werden und einfache graphische Aufbereitungen der

Rechenergebnisse erzeugt werden (siehe Kapitel 12). Dies umfasst auch die

Darstellung von Dosisfeldern, die mittels des vom Bundesamt für Strahlenschutz zur

Verfügung gestellten Dosismoduls DARTM berechnet werden können. Dieses Modul

verwendet die Ergebnisdateien von zwei ARTM Rechnungen für die Dosisberechnung.

Neben den räumlich strukturierten Ergebnisfeldern erzeugt DARTM auch

Dosisberechnungen nach Maßgabe der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zu § 47

StrlSchV4, die in Tabellenform ausgegeben werden. Das Dosismodul samt

Beschreibung wird als Testversion im GO-ARTM Programmpaket mitgeliefert. Eine

3Janicke, U., Janicke, L., Weiterentwicklung eines diagnostischen Windfeldmodells für den

anlagenbezogenen Immissionsschutz (TA Luft), Ingenieurbüro Janicke, Dunum, 2004

http://www.austal2000.de/data/stuff/dmk-2.2.0-report_de.zip

4Entwurf der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zu § 47 Strahlenschutzverordnung: Ermittlung der

Strahlenexposition durch die Ableitung radioaktiver Stoffe aus kerntechnischen Anlagen oder

http://www.austal2000.de/data/stuff/dmk-2.2.0-report_de.zip


vollwertige Version wird in der ersten Hälfte des Jahres 2012 über das BfS verfügbar

sein5.

5http://www.bfs.de/de/ion/anthropg/artm_modell.html

http://www.bfs.de/de/ion/anthropg/artm_modell.html

4 Verfügbarkeit und Installation


Das Programmpaket „GO-ARTM“ kann von der Internetseite der Gesellschaft für

Anlagen und Reaktorsicherheit http://www.grs.de/content/ausbreitungsmodellierung

heruntergeladen werden (rechte Spalte: „Programm GO-ARTM 1.09“). Dort finden sich

auch diverse Dokumente zur Dokumentation des Programms.

Hinter dem Download Link verbirgt sich zunächst das Programm

GO-ARTM-Setup.exe. Dieses speichert man sich an einem beliebigen Ort auf dem

Rechner und führt es dann aus (Doppelklick auf das Icon). Damit startet die Installation

von ARTM 2.6.4 (erstellt mit Intel Composer XE 2011/COM for Windows), GO-ARTM

1.09 und zahlreicher Hilfsprogramme sowie das Entpacken einiger Beispiel- und

Inputdateien (siehe Aufstellung in Kapitel 2.1). Für die Ausführung des Setup

Programms sind keine Administratoren Rechte nötig. Die einzelnen Schritte des Setup

Programms sind im Folgenden beschrieben. Die Installation kann jederzeit mit dem

Cancel> Button abgebrochen werden. Zu vorherigen Fenstern kann jeweils über den

Back> Button zurückgekehrt werden.

1) Die Installation startet mit einer Infoseite. Hier wird lediglich darauf

hingewiesen, was installiert wird. Es geht los durch klicken auf den Next>

Button.

2) Zunächst werden die Lizenz-Bestimmungen angezeigt. Um die Installation

fortführen zu können, muss man diese Lizenz-Bestimmungen akzeptieren

(vorher sollte man natürlich lesen, was man akzeptiert), indem man das Bullet

I accept the agreement auswählt. Dadurch wird gleichzeitig der Next>

Button zum Anklicken freigegeben. Mit klicken darauf geht es weiter.

Als nächstes kann der Anwender einen Ordner auswählen, in den die GO-

ARTM Distribution entpackt werden soll. Standardeinstellung ist ein Ordner

GO-ARTM auf dem Desktop des Anwenders. Über den Browse… Button kann

ein beliebiger anderer Ort, in dem der Anwender Schreibrechte besitzt,

ausgewählt werden. Wenn der gewünschte Ordner ausgewählt ist, geht es mit

Next> weiter.

Vorsicht ist geboten, wenn die Installation mit Administratoren Rechten

(unnötiger Weise) durchgeführt wird, da man dann unter anderem erweiterte



Schreibrechte besitzt. Als normaler Anwender darf man bei der Ausführung von

ARTM in den vom Programm vorgeschriebenen Ordnern dann unter

Umständen nicht schreiben. Das führt zum Programmabbruch.

3) Im nächsten Fenster kann der Anwender auswählen, in welchen Start Menü

Ordner ein Icon erstellt werden soll. Möchte man kein Icon im Start Menü, dann

kann hier einfach weiter geklickt werden und im nächsten Fenster die

Einrichtung dieses Icons abgewählt werden. Standardeinstellung für ein Icon ist

ein Unterordner GRS direkt im Start Menü. Dieser Unterordner wird erstellt,

wenn er noch nicht vorhanden sein sollte. Über den Browse… Button kann

man auch einen beliebigen anderen Unterordner des Start Menüs aussuchen,

um dort (wenn gewünscht, siehe Schritt 5) ein Icon in einem Unterordner GRS

zu erzeugen. Ist die Auswahl erfolgt, geht es mit Next> weiter.

4) Als nächstes wird abgefragt, ob ein Desktop-Icon bzw. ein Icon im Start Menü

erwünscht ist. Standardeinstellung ist, dass diese Icons erstellt werden. Sind

sie vom Anwender nicht erwünscht, dann müssen die Check-Boxen durch

Klicken auf dieselben deaktiviert werden. Ist diese letzte Auswahl getroffen,

dann gelangt man über Next> zum finalen Startfenster für die Installation.

5) Die gewählten Einstellungen werden nochmal angezeigt. Mit dem Install>

werden schließlich die Programme und Daten entpackt und an die

vorgesehenen Stellen geschrieben.

6) Zum Abschluss wird auf Wunsch noch eine kurze README Datei angezeigt.

2.1 Enthaltene Programme und Dateien

Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Anwender „Mustermann“ seine für

seine GO-ARTM Installation die Standardeinstellung verwendet hat. Damit befinden

sich sämtliche Dateien im Ordner C:\Users\Mustermann\Desktop\GO-ARTM, im

Folgenden als Hauptordner HO\ bezeichnet, und dessen Unterordnern.

Im Hauptordner legt das Setup Programm neben einem Deinstallations-Programm und

dessen Input (unins000.exe bzw. unins000.dat)6 folgende Unterordner und

Dateien an:

6 Soll das Programmpaket GO-ARTM vom Rechner wieder entfernt werden, kann einfach dieses

Deinstallations-Programm ausgeführt werden. Es entfernt alle Dateien, die mit der Installation erzeugt

wurden und gegebenenfalls die dann leeren Unterordner. Ergebnisdateien aus ARTM-Simulationen

bleiben erhalten, da sie ja erst nach der Installation erzeugt wurden.


HO\Dokumente>

History_GO-ARTM_1-09_ARTM_2.6.4.pdf

Beschreibung der Änderungen seit der Version GO-ARTM 1.07

Modellbeschreibung.pdf

Modellbeschreibung zu ARTM

Programmbeschreibung.pdf

vorliegendes Dokument

FAQs.pdf

„Frequently Asked Questions“ Dokument mit Fragen und Antworten zu ARTM

und dem Ausgangsprogramm AUSTAL2000

BekannteProbleme.pdf

Dokument zu bekannten Problemen bei der Durchführung von ARTM

Simulationen und Möglichkeiten, diese Probleme zu umgehen.

README.txt

Einfache Textdatei mit Informationen zur Installation

GO-ARTM_license.txt

Lizenztext, den der Anwender bei der Installation akzeptiert hat.

HO\ARTM>

ARTM.exe

Atmosphärisches Radionuklid Transport Modell

artm.settings und artm.settings_backup

Datei mit Konstanten für die Ausbreitungsrechnung, z.B. Washout Faktoren und

die Nuklidliste. Eine Backup-Datei (Kopie der Originaldatei) ist ebenfalls

beigelegt, falls man versehentlich die Originaldatei nicht reproduzierbar ändert.

Quelltext.zip

Komprimierter Ordner mit dem Quelltext von ARTM und TALdia (C Programm

Code)

TALdia.exe

Programm zur diagnostischen Windfeldberechnung

Vdisp.exe

Programm zur Berechnung der Abgasfahnenüberhöhung

ARTM_bsp.txt

Beispiel-Inputdatei für ARTM mit dokumentierten Parametern

rl.dat

Rauhigkeitslängenkataster


HO\DARTM>

Anleitung Dosisberechnung1_01.pdf

Beschreibung des Dosismoduls DARTM

DARTM1_01.exe

Programm zur Dosisberechnung. Kann über die Benutzeroberfläche GO-ARTM

aufgerufen werden (siehe Kapitel 12)

mul2011.dat, T2011.dat

Input-Dateien für das Dosismodul DARTM

HO\Grs_tools>

GO-ARTM.exe

Graphische Benutzeroberfläche GO-ARTM

GO-ARTM.hlp

Hilfe-Datei zu GO-ARTM

Nuked.exe

Nuklid Editor zur Manipulation der Datei artm.settings. Dieses Programm

kann über die Benutzeroberfläche GO-ARTM aufgerufen werden (siehe Kapitel

12)

GETMAX_ARTM.exe

Unterprogramm, das von GO-ARTM verwendet wird.

rl_inter.exe

Programm zur Bestimmung der Rauhigkeitslänge z0. Wird von GO-ARTM

verwendet, wenn die Rauhigkeitslänge automatisch berechnet werden soll

AKT.def, AKTERM.def,zbpz.def

Von GO-ARTM intern verwendete Dateien mit Formatdefinitionen

anwender.txt

Datei, in welcher der Name des Anwenders gespeichert wird, den man in GO-

ARTM festlegen kann (siehe Kapitel 12)

Feiertage.txt

Datei mit den Deutschen Feiertagen

lev_edit.exe

Editor für die Änderung von Farbskalen, die GO-ARTM bei der graphischen

Darstellung der Ergebnisse verwendet. Kann über GO-ARTM aufgerufen

werden (siehe Kapitel 12)

Deutschland.lvl, Dosis.lvl, Konz.lvl, days.lvl,

statistik.lvl


Verschiedene Farbskalen, die GO-ARTM (bzw. dataview.exe) bei der

graphischen Darstellung von Ergebnissen verwendet

dataview.exe, dataview.ini, dataviewz.ini

Unterprogramm, das GO-ARTM für die graphische Darstellung der Ergebnisse

nutzt

logo.wmf, austal.ico

Verwendete Logos.

set.tmp

Standardsettings für GO-ARTM

dmna_kalk.exe

Programm zur Manipulation von DMNA Dateien (siehe Kapitel 13.1)

Radon.exe

Postprocessing-Programm zur Berechnung von Tochternukliden des Radon-

Zerfalls (siehe Kapitel 13.2)

HO\Projekte>

In diesem Unterordner sind ein paar Beispielprojekte mit ihren ARTM.txt Input

Dateien angelegt. Alle für diese Beispielprojekte notwendigen anderen Input-Dateien

(Meteorologie und Geländedaten) sind in den entsprechenden HO Unterordnern

vorhanden.

D2m(24)2mmAKT\Artm.txt

Beispielrechnung mit einer 24stündigen Zeitreihe, konstanten 2m/s Windge-

schwindigkeit aus West und einer Niederschlagsintensität von 2mm/h

Langzeit_o_Gelaende\Artm.txt

Jahresrechnung mit einer AKTerm-Datei. Kein vorgegebenes Geländekataster.

Langzeit_m_Gelaende\Artm.txt

Jahresrechnung mit einer AKTerm-Datei und einem vorgegebene Gelände.

Langzeit_m_Gelaende-aks\Artm.txt

Jahresrechnung mit einer AKS-Datei und einem vorgegebene Gelände.

Gebäude-1\Artm.txt

Beispiel mit Vorgabe eines Gebäudes

Kühlturm\Artm.txt

Beispiel mit Ableitung über einem Kühlturm

DARTM-Test\Artm.txt

Einfache Jahresrechnung, die als Input für DARTM verwendet werden kann

(zusammen mit der Rechnung für die Vegetationsperiode)


DARTM-Test-V\Artm.txt

Einfache Rechnung für die Vegetationsperiode, die für die Dosisberechnung für

das Beispielprojekt DARTM-Test zusätzlich benötigt wird

HO\Meteodata>

ARTM2000.akterm

Beispiel AKTerm-Datei für ein Jahr

ARTM2000_sommer.akterm

Beispiel AKTerm-Datei für die Vegetationsperiode

ARTM2000.aks

Beispiel AKS-Datei für ein Jahr

D2m(24).akterm

Beispiel AKTerm-Datei für 24h mit konstant 2m/s Westwind

D2m(24)2mm.akterm

Beispiel AKTerm-Datei für 24h mit konstantem 2m/s Westwind und konstantem

2mm/h Niederschlag

HO\Kataster>

tittling.grid

Beispiel Gelände-Kataster für eine Region bei Tittling

zaun.bln

Beispiel für die Definition eines Zaunes

10 Arbeitsweise

3 Arbeitsweise

Das Programm ARTM arbeitet nicht interaktiv. Vor Beginn der Ausbreitungsrechnung

für ein Projekt sind alle erforderlichen Eingabedaten in einem Projektordner

zusammenzustellen (siehe Abschnitt 4). Dann wird das Programm gestartet, die

Ausbreitungsrechnung ohne weitere Interaktion mit dem Anwender durchgeführt und

das Ergebnis der Rechnung im Projektordner abgespeichert (siehe Abschnitt 5). Die

Rechnung wird in einer Protokolldatei protokolliert.

Das Programm wird in der Regel aus einem DOS-Fenster heraus gestartet. (Zu

erhalten ist ein DOS-Fenster über die Menü-Folge

Start > Alle Programme > Zubehör > Eingabeaufforderung

oder durch die Eingabe von cmd.exe in die Suchmaske im Start-Menü). Machen Sie

den Ordner GO-ARTM zum aktuellen Ordner des DOS-Fensters. (In dem Beispiel aus

Kapitel 2 wäre das der Pfad C:/Users/Mustermann/Desktop/GO-ARTM. Im DOS-

Fenster kommt man mit dem Befehl „cd C:/Users/Mustermann/Desktop/GO-

ARTM“ dorthin.) Anschließend können Sie das Programm durch Eingabe von

ARTM [ -D] Projekt [Option]

starten, wobei Projekt durch den Namen des von Ihnen angelegten Projektordners zu

ersetzen ist. Bei der Pfadangabe kann unter Windows wahlweise der Vorwärts-

Schrägstrich ( / ) oder der Rückwärts-Schrägstrich ( \ ) verwendet werden. Es kann der

komplette Pfad oder der relative Pfad ausgehend vom aktuellen Ordner angegeben

werden. Beispielsweise

ARTM –D C:/Users/Mustermann/GO-ARTM/Projekte/Test1 oder

ARTM –D ./Projekte/Test1

Ist keine Option angegeben, dann wird vom Programm eine Ausbreitungsrechnung

durchgeführt7. Sonst wird, je nach dem Wert von Option, eine oder mehrere der

7Zur Ausbreitungsrechnung gehört eventuell zunächst eine Windfeldberechnung mittels TALdia.exe.

Diese wird nötig, sollte sich noch keine Windfeldbibliothek im Unterordner /lib des aktuellen Projektes


folgenden Aktionen ausgeführt, wobei mehrere Optionen durch Leerzeichen getrennt

hintereinander aufgezählt werden können.

-a Die Auswertung der Rechenergebnisse aus einer zuvor durchgeführten

Ausbreitungsrechnung, insbesondere der Zeitreihen für Beurteilungs-

punkte, wird noch einmal durchgeführt (siehe Abschnitt 6).

-Agerman Das Programm wird angewiesen, in den Ausgabedateien bei der

Darstellung von Gleitkommazahlen ein Dezimal-Komma zu verwenden

(Standard ist ein Dezimal-Punkt). Dies betrifft auch die Ergebnisse in

der Protokolldatei. Diese Option wirkt sich nicht auf die Eingabedateien

aus. Dort ist nur die Punkt Schreibweise zulässig!

-D Wird beim Programmaufruf diese Option als erstes Argument

angegeben, dann wird eine bereits vorhandene Protokolldatei zu Beginn

der Rechnung gelöscht. Ohne diese Option wird die vorhandene

Protokolldatei erweitert.

-l Es wird eine Windfeldbibliothek erzeugt (siehe Abschnitt 8), sofern

komplexes Gelände vorliegt oder Gebäude definiert sind, und es wird

keine Ausbreitungsrechnung durchgeführt. Eine eventuell schon

vorhandene Windfeldbibliothek wird nach Bestätigung durch den

Benutzer gelöscht

-p Bei Rechnungen in ebenem Gelände ohne Gebäude schreibt das

Programm die verwendeten eindimensionalen Grenzschichtprofile

(Windgeschwindigkeiten und Turbulenzparameter) für jedes Zeitintervall

in die Protokolldatei artm.log aus.

-vLevel Das Programm soll in der Protokolldatei vermerken, was es alles tut

(verbose). Standard ist Level 3. Je größer die Zahl Level ≤ 7 ist, desto

ausführlicher wird die Protokolldatei.

-z Ist eine Zeitreihenrechnung mit einer AKTerm vorgesehen, dann wird mit

dieser Option nur die Umwandlung der AKTerm in eine Zeitreihendatei

zeitreihe.dmna bewirkt. Diese Datei kann dann für die

Ausbreitungsrechnung ergänzt werden (siehe Abschnitt 6).

befinden und komplexes Gelände bzw. explizit zu berücksichtigende Gebäude im Rechengebiet befinden.

Siehe auch Abschnitt 8.3.

12 Eingabedaten für die Ausbreitungsrechnung


Die Eingabe für ARTM besteht mindestens aus der Textdatei ARTM.txt und entweder

einer meteorologischen Zeitreihe (AKTerm, Dateinamenerweiterung: .akterm) oder

einer Häufigkeitsstatistik von Ausbreitungssituationen (AKS, Dateinamenerweiterung:

.aks)8. Die Datei ARTM.txt wird im Projektordner gespeichert. Der Name der

meteorologischen Zeitreihe bzw. Statistik, gegebenenfalls mit Pfadangabe, wird in der

Datei ARTM.txt angegeben. Darin werden auch alle weiteren wichtigen

Eingabeparameter wie z.B. Rechengebiet, Emissionsquellen, Quellstärken festgelegt

(siehe folgender Abschnitt 4.2).

In der Parameter-Datei artm.settings sind die standardmäßigen Parameterwerte

der Radionuklide für ARTM-Rechnungen festgelegt. Sie befindet sich im Unterordner

ARTM und wird bei jeder ARTM-Rechnungen verwendet. Dort befinden sich außerdem

die Hilfsprogramme TALdia.exe für die diagnostische Windfeldberechnung (siehe

Kapitel 8.3), und vdisp.exe für die Abgasfahnenüberhöhung (siehe Kapitel 11).

Die Textdatei ARTM.txt kann mit einem einfachen Editor9 erstellt werden. Die

Eingabedatei besteht aus Datenzeilen, Kommentarzeilen und gemischten Daten-

Kommentar-Zeilen. Eine Zeile darf höchstens 31996 Zeichen lang sein.

Datenzeilen beginnen mit dem Namen eines Parameters und enthalten anschließend,

durch Leerzeichen oder Tabulatoren getrennt, einen oder mehrere Werte, die diesem

Parameter zugeordnet sind. Als Werte können Zahlen oder Zeichenketten auftreten.

Zahlen müssen mit einem Dezimal-Punkt geschrieben werden (Tausender-

Trennzeichen sind nicht zulässig). Zeichenketten sind in der Regel in

Doppelhochkomma eingeschlossen. Die Zeichenkette darf maximal 255 Zeichen lang

sein. Enthält die Zeichenkette Leerzeichen, muss sie in Doppelhochkomma

eingeschlossen sein.

8Für Testzwecke liegt dem Programm ARTM eine Ganzjahreszeitreihe ARTM2000.AKTERM, eine

Vegetationsperiodenzeitreihe (Mai bis Oktober) ARTM2000_sommer.AKTERM und die entsprechende AKS

über ein ganzes Jahr (ARTM2000.AKS) bei.

9.Ein einfacher Editor ist z.B. Notepad, erreichbar über die Menu-Folge Start/Programme/Zubehör/Editor.

Bei Verwendung eines anderen Editors ist es wichtig, darauf zu achten, dass die Datei als einfache

Textdatei und nicht als RTF-Datei oder als Word-Dokument gespeichert wird


Kommentarzeilen beginnen mit einem Minuszeichen und können beliebig eingestreut

sein.

An Datenzeilen können, durch ein einfaches Hochkomma10 getrennt, Kommentare

angefügt werden.

Die Eingabe ist beendet, wenn entweder die Eingabedatei zu Ende ist oder eine Zeile

mit einem Stern in der ersten Spalte angetroffen wird.

Zahlenwerte werden in den Einheiten Gramm, Meter und Sekunde angegeben, der

Wärmestrom in MW, die Temperatur in Grad Celsius. Dies bedeutet beispielsweise

auch, dass Windgeschwindigkeiten in m/s und Quellstärken in Bq/s anzugeben sind.

Für Parameter, die nicht angegeben sind, werden Standardwerte angenommen.

Zeitangaben haben das Format Jahr-Monat-Tag.Stunde:Minute:Sekunde.

Die Rechnung wird in einem kartesischen Koordinatensystem durchgeführt, dessen x -

Achse von West nach Ost und dessen y-Achse von Süd nach Nord verläuft. Alle

Längen- und Koordinatenangaben erfolgen in Metern und beziehen sich auf dieses

Koordinatensystem. Die absolute Lage des Nullpunktes des Koordinatensystems wird

vom Anwender für jedes Projekt in Gauß-Krüger-Koordinaten11 (Parameter gx und gy)

festgelegt. Praktischerweise wählt man den Nullpunkt so, dass er in der Nähe des

Emissionsschwerpunktes liegt.

Die Parameter gx und gy sind die einzigen Parameter, bei denen

Koordinatenangaben in Gauß-Krüger-Darstellung zulässig sind. Alle anderen

Koordinatenangaben werden relativ zum Nullpunkt angegeben und dürfen

betragsmäßig nicht größer als 200 000 sein.

Es wird ein rechteckiges Rechennetz verwendet, das horizontal äquidistant unterteilt ist

und vertikal (z-Achse) mit der Höhe zunehmende Maschenweiten besitzt. Es können

auch mehrere Rechennetze gleichzeitig verwendet werden, die vertikal gleich gerastert

sind, sich aber horizontal durch Ausdehnung und Maschenweite unterscheiden (siehe

Abschnitt 10).

10auf der deutschen Tastatur über dem Zeichen #.

11Die Hauptmeridiane der Gauß-Krüger-Koordinaten sind die Meridiane mit vollen drei Grad Länge. Sie

definieren jeweils einen Gauß-Krüger-3°-Streifen. Beiderseits des Hauptmeridians (auch Zentralmeridian genannt) wird das Gebiet bis zu ±1°40' vermessen. Der Rechtswert (gx) gibt den Abstand in Metern zum Zentralmeridian, wobei 500 000 m und das millionenfache von (Hauptmeridian/3°) addiert werden. Der Hochwert (gx) gibt den Abstand zum Äquator in Metern.


Eine einfache Eingabedatei könnte beispielsweise folgendermaßen aussehen:

-- Beispiel einer einfachen Eingabedatei

--------------------------------------------------

ti "demo-1" ' Kennzeichnung des Projektes

az "../artm2000.akterm" ' zu verwendende AKTerm

gx 3500000 ' Rechtswert des neuen Nullpunktes

gy 5500000 ' Hochwert des neuen Nullpunktes

hq 50 ' Quellhöhe (m)

---------------------------------------------------

cs137A-1 1 ' entspricht 1 Bq/s

In diesem Beispiel befindet sich die Quelle in der Mitte des Rechengebiets, das vom

Programm festgelegt wird, und z0 wird vom Programm unter Rückgriff auf das

Rauhigkeits-Kataster berechnet.

4.1 Optionale Eingabedateien

Statt einer AKTerm oder AKS kann auch direkt die Zeitreihe zeitreihe.dmna der

meteorologischen Parameter und eventueller zeitabhängiger Emissionsparameter

vorgeben werden. Näheres hierzu ist im Abschnitt 6 beschrieben. Die Datei muss sich

direkt im Projektordner befinden.

Bei komplexeren Problemstellungen ist außerdem die Verwendung folgender

Inputdateien möglich:

1. Bei situationsabhängigen Parametern (Statistikrechnung): Für jeden situations-

abhängigen Parameter muss sich eine DMNA-Datei mit den Werten im

Projektordner befinden (siehe Kapitel 7).

2. Für die automatische Bestimmung der Rauhigkeitslänge z0 wird das

Rauhigkeitskataster von Deutschland in der Datei rl.dat und das Programm

rl_inter.exe verwendet. Diese befinden sich standardmäßig im Unterordner

ARTM.

3. Bei komplexem Gelände wird das Geländeprofil für das gewählte Rechengebiet in

der Datei zg00.dmna im Projektordner benötigt. Die Datei enthält für die

Gitterpunkte des Rechengitters (Eckpunkte der Gitterzellen) die Geländehöhen. Das

Profil kann auch automatisch aus einem digitalen Geländemodell erzeugt werden.

Diese kann wiederum in der Input Datei ARTM.txt vorgegeben werden (siehe


Abschnitt 4.2). Bei Netzschachtelung (siehe Abschnitt 10) braucht es für jedes Gitter

n eine Datei zg0n.dmna.

4.2 Liste der Eingabeparameter für ARTM.txt

Die folgende Auflistung enthält die zurzeit angebbaren Parameter (ohne die Definition

der Quellstärken) und ihre Standardwerte. Sie sind hier in alphabetischer Folge

aufgeführt, können aber in beliebiger Reihenfolge stehen. In runden Klammern ist

jeweils die Anzahl der erforderlichen Werte angegeben, wobei nq die Anzahl der

Quellen, nb die Anzahl der Gebäude, nn die Anzahl der Rechennetze, np die Anzahl der

Beurteilungspunkte (maximal 100 bei der Verwendung von ARTM über ein DOS-

Fenster, maximal 50 bei der Verwendung von GO-ARTM) und nz die Anzahl der

Schichten in der Vertikalen bezeichnet (maximal 100 Schichten, siehe auch Kapitel

10).

ab (nb) Ausdehnung der Gebäude in x-Richtung, wenn keine Drehung vorliegt

(Standardwert 0). Ein Gebäude wird als Quader definiert, der um die vertikale

Achse gedreht sein kann. Ohne Drehung bezeichnen xb und yb in der Aufsicht

die linke untere Ecke des Quaders und cb ist seine vertikale Ausdehnung (der

Quader liegt immer am Erdboden auf). Die Parameter ab und bb sind seine

Ausdehnungen in x- und y-Richtung. Der Winkel wb bezeichnet eine Drehung

um die linke untere Ecke gegen den Uhrzeigersinn (in Grad).

Zylinderförmige Gebäude (z.B. Kühltürme) können über einen negativen Wert

von bb definiert werden, sein Betrag bezeichnet dann den Durchmesser des

Zylinders. In diesem Fall muss der Parameter ab den Wert 0 haben, xb und yb

bezeichnen den Mittelpunkt der Zylindergrundfläche und wb wird ignoriert.

aq (nq) Ausdehnung der Quelle in x-Richtung, wenn keine Drehung vorliegt

(Standardwert 0). Eine Quelle wird als Quader definiert, der um die vertikale

Achse gedreht sein kann. Ohne Drehung bezeichnen xq und yq in der Aufsicht

die linke untere Ecke des Quaders und hq ist sein Abstand vom Erdboden. Die

Parameter aq, bq und cq sind seine Ausdehnungen in x-, y- und z-Richtung.

Der Winkel wq bezeichnet eine Drehung um die linke untere Ecke gegen den

Uhrzeigersinn (in Grad).


as (1) Name der Häufigkeitsstatistik von Ausbreitungssituationen (AKS). Steht die

AKS nicht im Projektordner, dann ist der Pfad relativ zum Projektordner oder

absolut anzugeben. Beispiele:

as artm2000.aks ' Datei steht im Projektordner

as ../artm2000.aks ' Datei steht im übergeordneten Ordner

as f:/aks/artm2000.aks ' Datei steht auf einer anderen Platte

Wenn im Projekt-Ordner keine Zeitreihe zeitreihe.dmna steht (siehe

Abschnitt 6), dann muss für eine Rechnung entweder mit as eine Statistik oder

mit az eine AKTerm angegeben sein.

az (1) Name der meteorologischen Zeitreihe (AKTerm) (vgl. as).

bb (nb) Ausdehnung des Gebäudes in y-Richtung, wenn keine Drehung vorliegt

(Standardwert 0), vgl. ab.

bq (nq) Ausdehnung der Quelle in y -Richtung, wenn keine Drehung vorliegt

(Standardwert 0), vgl. aq.

cb (nq) Vertikale Ausdehnung des Gebäudes (Standardwert 0), vgl. ab.

cq (nq) Vertikale Ausdehnung der Quelle (Standardwert 0), vgl. aq.

d0 (1) Verdrängungshöhe 0d der meteorologischen Profile (Standardwert 6 z0).

dd (nn) Horizontale Maschenweite des Rechengitters (Standardwert bei

Rechnungen ohne Gebäude ist die kleinste angegebene mittlere Quellhöhe

hq+0.5*cq, mindestens aber 15 m). Das Rechengitter besteht in x-Richtung

aus nx Gittermaschen beginnend bei x0, entsprechend in y-Richtung.

Ist die Lage und die Ausdehnung des Rechengebietes nicht angegeben, dann

wird es bei Rechnungen ohne Gebäude so gewählt, dass für jede Quelle ein

Kreis mit dem 50-fachen der mittleren Quellhöhe im Inneren des

Rechengebietes liegt. Bei Rechnungen mit Gebäuden wird standardmäßig mit

geschachtelten Netzen gerechnet, wobei sich Lage und Ausdehnung der Netze

an der Quell- und Gebäudekonfiguration orientieren (siehe Abschnitt 10).

dq (nq) Durchmesser der Quelle (Standardwert 0). Dieser Parameter wird nur zur

Berechnung der Abgasfahnenüberhöhung verwendet, vgl. qq.


gh (1) Name der Datei mit dem digitalen Geländemodell (im Format Arcinfo-

GRIDASCII12), sofern das Geländeprofil zg00.dmna noch nicht vorliegt.

Andernfalls wird dieser Parameter nur verwendet um anzuzeigen, dass für

komplexes Gelände gerechnet werden soll. In diesem Fall reicht als

Parameterwert ein Stern (siehe Abschnitt 8). Die maximale Steilheit des

Geländes wird in der Protokolldatei vermerkt als Steigung über eine Gitterzelle

bzw. über zwei Gitterzellen (Wert in Klammern).

gx (1) Rechtswert des Koordinaten-Nullpunktes in Gauß-Krüger-Koordinaten. Die

angegebenen Koordinaten werden bei Bedarf, z.B. zur Berechnung von z0, auf

den dritten Streifen umgerechnet (wird in der Protokoll-Datei vermerkt).

Zulässiger Wertebereich bei Darstellung im dritten Streifen:

3279000 ≤ gx ≤ 3957000.

gy (1) Hochwert des Koordinaten-Nullpunktes in Gauß-Krüger-Koordinaten (vgl.

gx). Zulässiger Wertebereich bei Darstellung im dritten Streifen:

5229000 ≤ gy ≤ 6120000.

ha (1) Anemometerhöhe ha über Grund. Der Standardwert ist 10 m + d0

(Verdrängungshöhe). Wird der Wert der Anemometerhöhe explizit vorgegeben,

wird dieser verwendet. Falls eine AKTerm vorgegeben ist, die Angaben zur

Anemometerhöhe für alle Rauhigkeitsklassen enthält, wird der zur aktuellen

Rauhigkeitslänge z0 gehörende Wert verwendet.13

hh (nz+1) Vertikales Raster, angegeben durch die z-Koordinaten der Randpunkte

der Schichten als Höhe über Grund. Die Standardsetzung mit 19

Modellschichten ist bei Rechnungen ohne Gebäude:

hh 0 3 6 10 16 25 40 65 100 150 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200 1500.

Bei Rechnungen mit Gebäuden siehe qb. Ein Setzen dieses Parameters hh ist

nur wirksam, wenn gleichzeitig die Option NOSTANDARD angegeben ist (siehe

12

Siehe beispielsweise „Vektordaten Bundesrepublik Deutschland, Digitales Geländemodell Gitterweite

50m, DGM50“, Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (2010)

13 Zur Klarstellung: Die Windgeschwindigkeit u wird bei neutraler Schichtung gemäß TA Luft und VDI 3783

Blatt 8 nach folgender Gleichung bestimmt:

0

0a

0

0

a ln/ln=)(z

dh

z

dzuzu für 00 6zdz

Hier ist ua die Windgeschwindigkeit am Ort des Anemometers (aus AKTerm, AKS oder selbst definierter

Zeitreihe), z die Höhe über dem Erdboden und für ha wird der Zahlenwert eingesetzt, der als Parameter ha

angegeben ist.


Abschnitt 4.2.1).

hp (np) Höhe des Monitorpunktes (Beurteilungspunkt) über Grund (Standardwert

1,5).

hq (nq) Höhe der Quelle (Unterkante) über dem Erdboden. Ein Standardwert ist

nicht vorhanden, dieser Parameter muss gesetzt werden. Vergleiche auch. aq.

lq (nq) Flüssigwassergehalt der Abgasfahne in kg/kg bei Ableitung der Abgase

über einen Kühlturm (Standardwert 0). Ist dieser Parameter mit einem Wert

größer 0 angegeben, dann wird für die betreffende Quelle die

Abgasfahnenüberhöhung gemäß VDI 3784 Blatt 2 berechnet. lq kann

zeitabhängig vorgegeben werden.

nx (nn) Anzahl der Gittermaschen in x-Richtung, vgl. dd.

ny (nn) Anzahl der Gittermaschen in y-Richtung, vgl. dd.

nz (nn) Anzahl der Gittermaschen in z-Richtung. Dieser Parameter braucht nicht

vorgegeben zu werden, er wird vom Programm automatisch gesetzt. Das

Programm setzt die Anzahl immer auf den durch hh festgelegten Maximalwert

nz, nur bei Netzschachtelung mit Gebäuden wird die Anzahl für das feinste Netz

so gewählt, dass es sich bis zur doppelten Höhe des höchsten Gebäudes

erstreckt.14

os (1) Zeichenkette zur Festlegung von Optionen. Werden mehrere Optionen

angegeben, dann sind die Schlüsselworte bzw. Zuweisungsteile unmittelbar

hintereinander durch ein Semikolon getrennt zu schreiben und durch

Doppelhochkommata einzuschließen.

Bei Standardrechnungen sind folgende Optionen möglich:

NESTING Statt eines einzigen Netzes mit einheitlicher Maschenweite

werden geschachtelte Netze mit unterschiedlicher Maschenweite generiert

(siehe Abschnitt 10).

-NESTING Bei Rechnungen mit Gebäuden wird keine Netzschachtelung

generiert.

14Eine Vorgabe wird nur bei Gebäuden mit Netzschachtelung ausgewertet. Hierbei muss

beachtet werden, dass Partikel, die ein Netz verlassen, in das nächst gröbere Netz übernommen und Partikel, die das gröbste Netz verlassen, aussortiert werden; insbesondere der Wert für das gröbste Netz sollte also immer auf den Maximalwert nz gesetzt sein.


SCINOTAT Alle berechneten Konzentrations- oder Depositionswerte werden

in wissenschaftlicher Schreibweise (Exponential-Darstellung mit 4

signifikanten Stellen) dargestellt.

qb (1) Qualitätsstufe für die automatische Festlegung der Rechennetze und des

Vertikalrasters bei Rechnungen mit Gebäuden (Standardwert 0). Das unterste

Vertikalintervall hat immer die Ausdehnung von 0 bis 3 m. Darüber hat das

Vertikalraster bis zum Überschreiten der doppelten Höhe des höchsten

Gebäudes die Maschenweite z . Die Maschenweite nimmt dann bis zum

nächstfolgenden Wert des Standardrasters (siehe hh) pro Intervall um 50% in

ganzzahligen Werten zu, darüber werden die Stützpunkte des Standardrasters

verwendet.15 Das feinste Netz hat die horizontale Maschenweite x . Die Werte

von x und z sind wie folgt festgelegt:

Tabelle 1 Standardauflösung nach Qualitätsstufe (ohne Gebäude)

qb -3 -2 -1 0 1

x 32 16 8 4 2

z 6 4 3 3 2

qq (nq) Wärmestrom Mq des Abgases in MW (Standardwert 0) zur Berechnung der

Abgasfahnenüberhöhung nach VDI 3782 Blatt 3. Er ist aus der

Abgastemperatur Tq (in ° Celsius) und dem Volumenstrom des Abgases (f) im

Normzustand R16 (in m 3 /s) gemäß Mq = 1,3610-3

(Tq- T0)R zu berechnen mit

T0 = 10° Celsius. Wird nur der Parameter qq aber nicht vq angegeben, dann

wird die Abgasfahnenüberhöhung nach VDI 3782 Blatt 3 nur mit dem

thermischen Anteil (wie in der alten TA Luft) berechnet. Der Impulsanteil kann

nur wirksam werden, wenn sowohl vq wie dq größer 0 sind. Der Wärmestrom

qq kann zeitabhängig vorgegeben werden. Wird der Parameter qq verwendet,

dann sollte der Parameter tq nicht angegeben werden oder den Wert 0

besitzen.

15Für qb gleich 0 und ein 20 m hohes Gebäude beispielsweise ist das automatisch generierte Vertikalraster 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 46 52 65 100 150 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200 1500.

16Umrechnungsformel R = 0.25*3.1415926*dq*dq*vq*273.15/(273.15+tq)


qs (1) Qualitätsstufe zur Festlegung der Freisetzungsrate von Partikeln

(Standardwert 0). Eine Erhöhung um 1 bewirkt jeweils eine Verdoppelung der

Partikelzahl und damit eine Verringerung der statistischen Unsicherheit

(Streuung) um den Faktor 21/ . Allerdings verdoppelt sich damit auch die

Rechenzeit. Entsprechendes gilt für eine Verringerung des Wertes.

Standardmäßig wird eine AKS mit mindestens 43 000 000 Partikeln gerechnet,

eine AKTerm mit mindestens 63 000 000 Partikeln. Der Wertebereich ist

standardmäßig auf -4 bis +4 begrenzt, kann aber mit Setzen der Option

NOSTANDARD auch überschritten werden.

rb (1) Name der Datei mit den aufgerasterten Gebäudeumrissen (DMNA-Format).

Sie kann alternativ zur expliziten Vorgabe von Gebäuden (vgl. ab) verwendet

werden. Der Datenteil ist zwei-dimensional und enthält für jede Zelle des

Rasters als Integer-Wert die Anzahl der Vertikalintervalle mit der Ausdehnung

dz zur Festlegung der Gebäudehöhe. Die Intervallbreite dz, der linke Rand x0,

der untere Rand y0 und die Maschenweite dd des Rasters müssen im

Dateikopf vermerkt sein. Das Raster muss nicht mit dem verwendeten

Rechengitter übereinstimmen, seine Zellen werden vor der Rechnung analog zu

explizit vorgegebenen Gebäuden automatisch auf dem Rechengitter

aufgerastert.

rq (nq) Relative Feuchte der Abgasfahne in Prozent bei Ableitung der Abgase über

einen Kühlturm (Standardwert 0). Ist dieser Parameter mit einem Wert größer 0

angegeben, dann wird für die betreffende Quelle die Abgasfahnenüberhöhung

gemäß VDI 3784 Blatt 2 berechnet. rq kann zeitabhängig vorgegeben werden.

sd (1) Anfangszahl des Zufallszahlengenerators (Standardwert 11111). Durch

Wahl einer anderen Zahl wird eine andere Folge von Zufallszahlen generiert, so

dass in den Ergebnissen eine andere Stichprobe vorliegt.

sq (nq) Zeitskala TU (siehe VDI 3945 Blatt 3 Abschnitt D5) zur Berechnung der

Abgasfahnenüberhöhung.

Wird dieser Parameter angegeben, dann wird die Abgasfahnenüberhöhung

nach dem in VDI 3945 Blatt 3 Abschnitt D5 angegebenen Verfahren berechnet,

wobei der Parameter vq als Zusatzgeschwindigkeit U interpretiert wird. sq kann

zeitabhängig vorgegeben werden17.

17 In dem angegebenen Abschnitt wird ein vereinfachtes Verfahren zur Implementierung der

Abgasfahnenüberhöhung verschrieben. Jedem Partikel wird beim Austritt eine Zusatzgeschwindigkeit U


ti (1) Zeichenkette zur Kennzeichnung des Projektes. Diese Kennzeichnung wird

in alle bei der Rechnung erzeugten Dateien übernommen.

tq (nq) Abgastemperatur in Grad Celsius (Standardwert 0) zur Berechnung der

Abgasfahnenüberhöhung. tq kann zeitabhängig vorgegeben werden. Wird der

Parameter tq verwendet, dann sollte der Parameter qq nicht angegeben

werden oder den Wert 0 besitzen.

vq (nq) Ausströmgeschwindigkeit des Abgases (Standardwert 0), vgl. qq. Dieser

Parameter ist nur wirksam, wenn der Parameter dq auf einen Wert größer Null

gesetzt ist. vq kann zeitabhängig vorgegeben werden.

wb (nb) Drehwinkel des Gebäudes um eine vertikale Achse durch die linke untere

Ecke (Standardwert 0), vgl. ab.

wq (nq) Drehwinkel der Quelle um eine vertikale Achse durch die linke untere Ecke

(Standardwert 0), vgl. aq.

x0 (nn) Linker (westlicher) Rand des Rechengebietes, vgl. dd.

xa (1) x-Koordinate der Anemometerposition (Standardwert 0). Die Position des

Anemometers muss innerhalb des Rechengebietes liegen, sollte sich aber

außerhalb des Einflusses von Gebäuden befinden, wenn solche vorhanden sind

(Abstand vom Gebäude mindestens 6mal Gebäudehöhe).

xb (nb) x-Koordinate des Gebäudes (Standardwert 0), vgl. ab.

xp (np) x-Koordinate des Monitorpunktes (Beurteilungspunkt).

xq (nq) x -Koordinate der Quelle (Standardwert 0), vgl. aq.

y0 (nn) Unterer (südlicher) Rand des Rechengebietes, vgl. dd.

ya (1) y-Koordinate der Anemometerposition (Standartwert 0), vgl. xa.

yb (nb) y-Koordinate des Gebäudes (Standardwert 0), vgl. ab.

yp (np) y-Koordinate des Monitorpunktes (Beurteilungspunkt).

yq (nq) y-Koordinate der Quelle (Standardwert 0), vgl. aq.

z0 (1) Rauhigkeitslänge z0. Ist dieser Parameter nicht angegeben, dann wird er

automatisch mit Hilfe des Rauhigkeits-Katasters berechnet (erfordert gx und

zugeschrieben, die mit jedem Zeitschritt der Lange um dem Anteil /Tu reduziert wird. Dies bedeutet ein

exponentielles Abfallen der Zusatzgeschwindigkeit mit der Zeitkonstanten Tu. Insgesamt erfährt der

Partikel durch die Zusatzgeschwindigkeit eine Versetzung um r = UTu.


gy) und auf einen der in der TA Luft vorgegebenen Werte gerundet. Sind

mehrere Quellen definiert, wird bei der Berechnung zunächst für jede Quelle ein

eigener Wert von z0 berechnet und anschließend ein mittleres z0, wobei die

Einzelwerte mit dem Quadrat der Quellhöhe gewichtet werden. Der berechnete

Wert wird in der Protokolldatei vermerkt.

4.2.1 NOSTANDARD-Optionen

Abweichungen vom Standard-Verhalten werden durch die os-Option NOSTANDARD

ermöglicht. Die NOSTANDARD-Option sollte nur wenn wirklich benötigt und mit der

nötigen Sorgfalt eingesetzt werden.

Bei Verwendung der Option NOSTANDARD wird die Rauhigkeitslänge nicht automatisch

auf einen der 9 Standardwerte nach TA Luft gerundet. Außerdem wird mit dieser

Option die Vorgabe des Parameters hh aktiviert (siehe vorheriger Abschnitt 4.2).

Folgende Angaben in Kombination mit der Option NOSTANDARD sind zusätzlich

möglich (siehe auch Anhang A des AUSTAL2000 Handbuches).

SORRELAX Bei der Berechnung der Gebäudeströmung mit dem Modellansatz DMK

werden für das dort verwendete SOR-Verfahren (successive over-relaxation)

weniger stringente Abbruchkriterien verwendet. Ein Abbruch der

Windfeldberechnung aufgrund beispielsweise eines ungünstig gewählten

Vertikalrasters kann mit dieser Option unter Umständen umgangen werden.

SPECTRUM Bei sedimentierendem Staub wird die Masse innerhalb einer

Korngrößenklasse gleichmäßig über den gesamten Korngrößenbereich verteilt

und die Sedimentationsgeschwindigkeit wird für jedes Partikel entsprechend

seinem aerodynamischen Durchmesser berechnet, siehe Anhang E des

AUSTAL2000 Handbuches.

SPREAD Der Minimalwert des horizontalen Diffusionskoeffizienten und damit die

minimale horizontale Fahnenbreite wird heraufgesetzt, um künstliche

Sternstrukturen in der Immissionsverteilung zu vermeiden (siehe Anhang F des

AUSTAL2000 Handbuches).

NODAY Mit dieser Option können mit ARTM auch kürzer als 24 Stunden

dauernde Zeitreihen berechnet werden; der Zeitschritt beträgt nach wie vor eine

Stunde


NOGAM Die zeitaufwändige Berechnung der Gammawolkenstrahlung wird nicht

ausgeführt.

NOSHEAR Die in der Modellbeschreibung in Abschnitt 10.2 festgelegte Drehung der

Windrichtung innerhalb der Mischungsschicht in Abhängigkeit von der Höhe über

dem Erdboden wird nicht verwendet. Dies erlaubt z.B. bei stationären

Bedingungen die Berechnung symmetrischer Fahnen längs der

Ausbreitungsrichtung.

BLMBZU2 An Stelle des in ARTM standardmäßig vorgesehenen

Grenzschichtmodells nach der Richtlinie VDI 3783, Blatt 8 (2002), das für manche

Ausbreitungssituationen (hohe Quellen, neutrale bis stabile thermische

Schichtung) extrem schmale Fahnen produziert, können mit dieser Option breitere

und damit realitätsnähere Fahnen erzeugt werden. Das neu eingefügte

Grenzschichtmodell ist dokumentiert18.

CNC2D An Stelle der standardmäßig ausgegebenen 3-dimensionalen Felder mit

den berechneten mittleren Konzentrationen und statistischen Fehlern *-

cncz.dmna und *-cncs.dmna werden optional mit der NOSTANDARD-Option

CNC2D nur die entsprechenden bodennahen Felder *-cncz2.dmna und *-

cncs2.dmna ausgegeben. Der Asterisk „*“ ist Platzhalter für die jeweilige

Nuklidkennung inklusive der Kennung für die physikalische Erscheinungsform.

4.3 Angabe von Quellstärken und Nuklidliste

Die Quellstärken bzgl. der verschiedenen Radionuklide werden so angegeben wie die

anderen Quellparameter auch. Der Parametername bezeichnet die Stoffkomponente

und als Werte sind die Quellstärken der einzelnen Quellen bezüglich dieser

Komponente aufzuführen (in Bq/s).

Der letzte Buchstabe im Stoffparametername bezeichnet die physikalische Form:

* ‚A’ steht für Schwebstoffe (Stäube). Es sind fünf verschiedene Korngrößenklassen

(1 bis 4 und unbekannt) zu unterscheiden. Der Parametername besteht aus dem

Stoffnamen, einem Minuszeichen und der Nummer der Korngrößenklasse (siehe

Tabelle 2). Staub mit einem aerodynamischen Korngrößendurchmesser größer als

18 L. Janicke, U. Janicke, Vorschlag eines meteorologischen Grenzschichtmodells für Lagrangesche

Ausbreitungsmodelle, Berichte zur Umweltphysik, Nummer 2, Oktober 2000, Ingenieurbüro Janicke, Alter

Postweg 21, 26427 Dunum, Germany


10 µm hat, wenn seine Aufteilung auf Klasse 3 und 4 nicht bekannt ist, die

Klassenbezeichnung u.

Tabelle 2 Aerosol Korngrößenklassen

Klasse da in µm Depositions-

geschwindigkeit

vd in m/s

Sedimentations- geschwindigkeit

vs in m/s

Washoutkoeffizient 0 in 1/s für Niederschlagsintensität

I0=1mm/h

1 kleiner 2,5 0,001 0,00 1 0-4

2 2,5 bis 10 0,01 0,00 2 0-4

3 10 bis 50 0,05 0,04 3 0-4

4 größer 50 0,20 0,15 4 0-4

u größer 10 0,07 0,06 3 0-4

* ‚L’ bezeichnet die Elementarform,

* ‚R’ ist die organische Verbindung,

* ‚E’ sind Edelgase.

* Bei Tritium gibt es zusätzlich die wässrige Form ‚W’ und

* beim Isotop C-14 die Gasform als CO2 ’GB’.

Folgende Radionuklide, sortiert nach Ordnungs- und Massenzahl, können bei der

Verwendung der mitgelieferten artm.settings Datei angegeben werden:

H3W Tritium

H3A Tritium

C11GB Kohlenstoff-11

C14A Kohlenstoff-14

C14GB Kohlenstoff-14

C14R Kohlenstoff-14

N13L Stickstoff-13

N14L Stickstoff-14

O15L Sauerstoff-15

F18A Flour-18

S35A Schwefel-35

Ar41E Argon-41

Ca41A Calcium-41

Ca45A Calcium-45

Cr51A Calcium-51

Mn54A Mangan-54

Fe55A Eisen-55

Fe59A Eisen-59

Co57A Kobalt-57

Co58A Kobalt-58

ARTM 2.6.4 Programmbeschreibung

25

Co60A Kobalt-60

Ni59A Nickel-59

Ni63A Nickel-63

Zn65A Zink-65

Se75A Selen-75

Br82A Brom-82

Kr85mE Krypton-85m

Kr85E Krypton-85

Kr87E Krypton-87

Kr88E Krypton-88

Kr89E Krypton-89

Rb88A Rubidium-88

Sr89A Strontium-89

Sr90A Strontium-90

Y90A Yttrium-90

Y91A Yttrium 91

Zr93A Zirconium-93

Zr95A Zirconium-95

Nb95A Niob-95

Tc99mA Technetium-99m

Tc99A Technetium-99

Ru103A Ruthenium-103

Ru106A Ruthenium-106

Ag110mA Silber-110m

Sb124A Antimon-124

Sb125A Antimon-125

Sb127A Antimon-127

Te123mA Tellur-123m

Te131mA Tellur-131m

Te132A Tellur-132

I131L Jod-131

I131R Jod-131

I131A Jod-131

I132L Jod-132

I132R Jod-132

I132A Jod-132

I133L Jod-133

I133R Jod-133

I133A Jod-133

I134L Jod-134

I134R Jod-134

I134A Jod-134

I135L Jod-135

I135R Jod-135

I135A Jod-135

Xe131mE Xenon-131m

Xe133mE Xenon-133m

Xe133E Xenon-133

Xe135mE Xenon-135m

Xe135E Xenon-135

Xe137E Xenon-137 +D36

Xe138E Xenon-138

Cs134A Caesium-134

Cs136A Caesium-136


Cs137A Caesium-137

Ba140A Barium-140

La140A Lanthan-140

Ce141A Cer-141

Ce144A Cer-144

Pm147A Promethium-147

Eu154A Europium-144

Hg203L Quecksilber-203

Hg203R Quecksilber-203

Hg203A Quecksilber-203

Rn222E Radon-222

Pb210A Blei-210

Po210A Polonium-210

U234A Uran-234

U235A Uran-235

U238A Uran-238

Pu238A Plutonium-238




Am241A Americium-241



Cm242A Curium-242

Cm243A Curium-243

Cm244A Curium-244


5 Ergebnisse der Ausbreitungsrechnung

Das Programm legt zunächst im Projektordner eine Protokolldatei (Textdatei) mit dem

Namen ARTM.log an, in der es u.a. den Zeitpunkt der Rechnung, die

Programmversion und den Namen des Projektordners vermerkt. Ist eine solche Datei

bereits vorhanden, wird sie nicht neu beschrieben sondern das neue Protokoll wird an

das alte angehängt.19 Anschließend werden die aus der Eingabedatei ARTM.txt

gelesenen Parameter aufgelistet. Nach einigen Informationen zum Rechenlauf folgt

eine Kurzauswertung der Ergebnisse.

Die Ergebnisse der Ausbreitungsrechnung werden für die verschiedenen Stoffe jeweils

in separaten dmna-Dateien abgelegt. Der Aufbau der dmna-Dateien ist im Kapitel 14

beschrieben20. Die Dateinamen haben die Form

Stoff-TypNetz.dmna

Dabei steht Stoff für den Nuklidnamen und die physikalische Form (siehe Kapitel 4.3).

Typ steht für eine der in Tabelle 3 angegebenen Dateitypen. Netz gibt bei

geschachtelten Netzen die Nummer des Rechennetzes an, beginnend beim feinsten

Netz 01 (siehe auch Kapitel 10). Die Netzbezeichnung fehlt, wenn nur mit einem

einzigen Rechennetz gearbeitet wird.

Tabelle 3 Dateitypen der ARTM-Ergebnisdateien

Typ Bezeichnung

cncz Jahresmittelwert der Konzentration

cncs Statistik des Jahresmittelwertes der Konzentration

dryz Jahresmittelwert der trockenen Deposition

drys Statistik des Jahresmittelwertes der trockenen Deposition

wetz Jahresmittelwert der nassen Deposition

wets Statistik des Jahresmittelwertes der nassen Deposition

19 Wenn beim Testen häufig derselbe Projektordner verwendet wird, sollte man die die Option -D beim

Programmaufruf verwenden oder die Protokolldatei vor jedem Lauf per Hand löschen, damit man

leichter die aktuellen Ergebnisse findet.

20 Siehe auch Anhang B des AUSTAL2000 Handbuches.


Typ Bezeichnung

g01m Jahresmittelwert des Gammawolkenstrahlung 0.1 MeV

g10m Jahresmittelwert des Gammawolkenstrahlung 1.0 MeV

zbpz Zeitreihen der Konzentrationen an den Monitorpunkten

zbpdry Zeitreihen der trockenen Deposition an den Monitorpunkten

zbpwet Zeitreihen der nassen Deposition an den Monitorpunkten

zbpg01 Jahresmittelwert der Gammawolkenstrahlung 0.1 MeV an den

Monitorpunkten

zbpg10 Jahresmittelwert der Gammawolkenstrahlung 10 MeV an den

Monitorpunkten

Die berechneten Konzentrationswerte werden in der Maßeinheit Bq/m³ angegeben und

werden im Standardfall als dreidimensionale Felder ausgegeben21. Für Stäube

(physikalische Erscheinungsform „A“) werden in den Konzentrationsdateien cncz nur

die für die Inhalation maßgeblichen Korngrößenklassen 1 und 2 zusammengefasst22.

Trockene und nasse Deposition in Bq/(m²s) und die Gammawolkenstrahlung23 in

Bq/m² werden nur für die bodennahe Schicht als zweidimensionale Felder

ausgeschrieben. Darin werden bei Stäuben alle Korngrößenklassen berücksichtigt. Die

Werte in den Statistikdateien geben die geschätzte relative statistische Unsicherheit an

(bezogen auf den berechneten Wert c , also cc ).

Bei einer Zeitreihenrechnung muss analog zur TA Luft, Anhang 3, Abschnitt 8.1 die

Anzahl der gültigen Stundenmittel in der meteorologischen Zeitreihe mindestens 90%

der Jahresstunden (8760) betragen.

Zeitreihen an den Beurteilungspunkten (Monitorpunkten) haben die Typbezeichnung

zbpTyp (für Typ siehe Tabelle 3). Sie werden ausgeschrieben, wenn mit einer

meteorologischen Zeitreihe gerechnet wird und Monitorpunkte definiert sind.

21 Siehe auch NOSTANDARD Option CNC2D, Kapitel 4.2.1.

22 Wie in TA Luft, Anhang 3, Kapitel 4 festgelegt.

23 Siehe auch NOSTANDARD Option NOGAM, Kapitel 4.2.1.


Ist beispielsweise bei einer Ausbreitungsrechnung ohne Netzschachtelung als

emittierter Stoff Cs137A angegeben und sind Monitorpunkte definiert, dann werden

folgende Dateien erzeugt:

cs137a-cncz.dmna

cs137a-cncs.dmna

cs137a-depz.dmna

cs137a-deps.dmna

cs137a-wetz.dmna

cs137a-wets.dmna

cs137a-g01m.dmna

cs137a-g10m.dmna

cs137a-depz.dmna

cs137a-deps.dmna

Bei Zeitreihenrechnung zusätzlich:

cs137a-zbpdry.dmna

cs137a-zbpg01.dmna

cs137a-zbpg10.dmna

cs137a-zbpwet.dmna

cs137a-zbpz.dmna

In der Protokolldatei werden alle erzeugten Dateien aufgelistet. Zusätzlich werden die

aus diesen Dateien gewonnenen Immissionskennwerte (Maximalwerte, deren

Unsicherheit und Position) aufgelistet. Jeder Kennwert steht dabei in einer Zeile mit

folgendem Aufbau:

Stoff Typ : Wert (+/- Toleranz%) bei x= x m, y= y m ( Netz : i, j)

Hierbei sind:

Stoff der betrachtete Schadstoff (siehe Nuklidliste in Kapitel 4.3)

Typ Auswertetyp:

CNC: Konzentration

WET: feuchte Depositon

DRY: trockene Deposition

Wert der berechnete Immissionskennwert


Toleranz seine statistische Unsicherheit

x, y die Koordinaten des gefundenen Maximums

i, j die Indexwerte der zugehörigen Masche,

Netz die Nummer des zugehörigen Netzes (kann fehlen)

Beispiel:

CS134A CNC : 3.475e-004 Bq/m³ (+/- 1.2%) bei x= -75 m, y= 175 m (1 : 19, 24)


6 Rechnen mit Zeitreihen

Bisher wurde davon ausgegangen, dass in den Eingabedaten eine Zeitreihe nur in

Form einer AKTerm (meteorologische Zeitreihe, Eingabeparameter az) auftritt. Eine

AKTerm ist eine Textdatei, die fortlaufend für jede Stunde des Jahres eine Zeile mit

meteorologischen Parametern enthält:

Die Datei besteht aus einem Dateikopf und einem Datensatz. In dem Dateikopf stehen

zu Anfang bis zu 5 Kommentarzeilen, die mit einem Stern ('') als erstes Zeichen

eingeleitet werden. Wenn die Zeitreihe stündliche Niederschlagssummen enthält, muss

in der ersten Kommentarzeile das Wort „Niederschlag“ stehen, z.B.

* AKTERM-Zeitreihe mit Niederschlag ...

Nach den Kommentarzeilen folgt optional eine Zeile mit den rechnerischen

Anemometerhöhen für verschiedene Rauhigkeitslängen. Sie beginnt mit der

Zeichenfolge

+ Anemometerhoehen (0.1m):

gefolgt von den 9 ganzzahligen Anemometerhöhen in Einheiten von 0,1 m (jeweils 4

Ziffern ohne führende Nullen, getrennt durch ein Leerzeichen) für die

Rauhigkeitslängen 0,01 m bis 2 m aus dem Anhang 3 der TA Luft. Wird die

Anemometerhöhe ha in artm.txt explizit gesetzt, hat dieser Wert Vorrang vor den in

AKTerm spezifizierten Höhen.

Der Datensatz enthält Zeilen mit jeweils 18 Einträgen, die durch genau ein Leerzeichen

voneinander getrennt sind. Die Bedeutungen der Einträge sind:

Eintrag Bedeutung Position Wertebereich

KENN Kennung für das Datenkollektiv

AK 1 bis 2 AK

STA Stationsnummer 4 bis 8 00001-99999

JAHR Jahr 10 bis 13 1800-2…

MON Monat 15 bis 16 1-12

TAG Tag 18 bis 19 1-31


Eintrag Bedeutung Position Wertebereich

STUN Stunde (Beginn des Stundenintervalls)24 21 bis 22 0-23

NULL numerisches Leerfeld 24 bis 25 0

QDD Qualitätsbyte (Windrichtung) 27 0,1,2,9

QFF Qualitätsbyte (Windgeschwindigkeit) 29 0,1,2,3,9

DD Windrichtung 31 bis 33 0-360,999

FF Windgeschwindigkeit 35 bis 37 0-999

QB Qualitätsbyte (Wertstatus) 39 0-5,9

KM41 Ausbreitungsklasse nach Klug/Manier 41 1-7,9

QB Qualitätsbyte (Wertstatus) 43 0,1,9

HM Mischungsschichthöhe (m) 45 bis 48 0-9999

QB Qualitätsbyte (Wertstatus) 50 0-5,9

RR Niederschlag 52-54 001-999

QB Qualitätsbyte (Wertstatus) 56 1,9

Beispiel:

* AKTERM-Zeitreihe, Deutscher Wetterdienst, Offenbach (KB1A)

* Zeitraum 01/1995 bis 12/1995

* anonymisierte Daten, Stand: 11.04.2002

+ Anemometerhoehen (0.1 m): 32 41 57 74 98 144 200 244 283

AK 10999 1995 01 01 00 00 1 1 210 56 1 3 1 -999 9 990 1

AK 10999 1995 01 01 01 00 1 1 220 64 1 3 1 -999 9 990 1

AK 10999 1995 01 01 02 00 1 1 260 68 1 3 1 -999 9 991 1

AK 10999 1995 01 01 03 00 1 1 270 65 1 3 1 -999 9 992 1

AK 10999 1995 01 01 04 00 1 1 250 64 1 3 1 -999 9 990 1

AK 10999 1995 01 01 05 00 1 1 250 64 1 3 1 -999 9 990 1

. . .

24 Bei der expliziten Zeitreihe zeitreihe.dmna bedeutet die angegebene Stunde das Ende des

Stundenintervalls.


Das Qualitätsbyte für die Windrichtung kann folgende Werte annehmen:

QDD Bedeutung

0 Windrichtung in Dekagrad

1 Windrichtung in Grad, Original in Dekagrad

2 Windrichtung in Grad, Original in Grad25

9 Windrichtung fehlt

Das Qualitätsbyte für die Windgeschwindigkeit kann folgende Werte annehmen:

QFF Bedeutung

0 Windgeschwindigkeit in Knoten

1 Windgeschwindigkeit in 0,1 m/s, Original in 0,1 m/s

2 Windgeschwindigkeit in 0,1 m/s, Original in Knoten (0,514 m/s)

3 Windgeschwindigkeit in 0,1 m/s, Original in m/s

9 Windgeschwindigkeit fehlt

KM Bedeutung Stabilität Diffusionskategorie

1 Ausbreitungsklasse I sehr stabil F

2 Ausbreitungsklasse II stabil E

3 Ausbreitungsklasse III/1 neutral D

4 Ausbreitungsklasse III/2 neutral/leicht labil C

5 Ausbreitungsklasse IV labil B

6 Ausbreitungsklasse V sehr labil A

7 nicht bestimmbar

9 Fehlkennung

25 Sind die Windrichtungen in der AKTerm gradgenau angegeben, dann muss das Qualitätsbyte QDD auf

den Wert 2 gesetzt werden.


Die Niederschlagsinformation RR wird mit einem 3-stelligen Code nach dem Synop-

Schlüssel des DWD angegeben:

RR Bedeutung

001 1 mm

002 2 mm

...

988 988 mm

989 989 mm oder mehr

=== =================================================

990 Spuren von Niederschlag, nicht messbar (< 0,05 mm)

991 0,1 mm

992 0,2 mm

. .

.

999 0,9 mm

Das einstellige Qualitätsbyte für den Niederschlag kann folgende Werte annehmen:

QB Bedeutung

1 Niederschlagsinformation vorhanden

9 Niederschlagsinformation unglaubwürdig oder nicht vorhanden

Die Uhrzeit ist in UTC (GMT) angegeben. Werden die Daten als repräsentativ für den

Zeitraum einer Stunde angesehen, dann ist die angegebene Uhrzeit das Ende dieser

Stunde. Für Testzwecke liegt dem Programm ARTM eine Einjahreszeitreihe

(ARTM2000.AKTERM), eine Sommerperiode (ARTM2000_sommer.AKTERM) und die

entsprechende AKS über ein ganzes Jahr (ARTM2000.AKS) bei.

Die AKTerm wird von ARTM zunächst in eine Zeitreihe von Windrichtung ra,

Windgeschwindigkeit ua und Monin-Obukhov-Länge LM umgewandelt. Dabei werden

die in Anhang 3 der TA Luft angegebenen Vorschriften zur Verarbeitung dieser Werte

beachtet (Auffüllen von Lücken, Mindestgeschwindigkeit, Umverteilung der

Windrichtung bei sehr geringer Windgeschwindigkeit, Beseitigung von Stufen).


Da der DWD explizit die Umrechnung 1 kn = 0,514 m/s angibt und bei seinen eigenen

Rechnungen auch so verfährt, werden Windgeschwindigkeiten, die in Knoten

angegeben sind, nach dieser Formel umgerechnet. Auch Windgeschwindigkeiten, die

in Einheiten von 0,1 m/s angegeben sind aber im Original auf Knoten beruhen, werden

zunächst in (ganzzahlige) Knoten umgerechnet und anschließend wieder in die Einheit

m/s. Anschließend werden die Werte gleichmäßig auf die vorliegende Wertestufe

verteilt. Die Windrichtung wird, auch wenn sie gradgenau angegeben ist, formal über

eine Stufe von 1 Grad Breite verteilt und später wieder auf ganze Zahlen gerundet,

damit die Verteilung auf Sektoren konsistenter berechnet werden kann. Die gesamte

Umrechnung erfolgt in folgenden Schritten:

* AKTerm einlesen und Termine mit ungültigen Daten durch die Klug/Manier-

Klasse 0 kennzeichnen.

* Ist das Qualitätsbyte QDD für die Windrichtung auf den Wert 1 gesetzt (d.h. die

Windrichtung ist auf 10° genau angegeben), dann wird die Windrichtung

gleichmäßig in dem 10°-Sektor ausgewürfelt.

* Ist das Qualitätsbyte QFF für die Windgeschwindigkeit auf den Wert 2 oder 3

gesetzt, wird die Windgeschwindigkeit auf m/s umgerechnet, indem die Werte

gleichmäßig über die Wertestufe ausgewürfelt werden.

* Für umlaufende Winde zufällige Windrichtung wählen.

* Windrichtungsverteilung für geringe Windgeschwindigkeiten bestimmen.

* Messlücken von 1 oder 2 Stunden Dauer durch Interpolation schließen.

* Windrichtung bei kurzzeitigen Kalmen durch Interpolation bestimmen.

* Windrichtung bei längeren Kalmen entsprechend der Verteilung für geringe

Windgeschwindigkeiten auswürfeln.

* Minimalwerte der Windgeschwindigkeit einsetzen.

* Windgeschwindigkeit auf Vielfaches von 0,1 m/s und Windrichtung auf

Vielfaches von 1 Grad runden.

* Mittlere Windgeschwindigkeiten berechnen (für TALdia ).26

Ruft man ARTM mit der Option -z auf, also beispielsweise

26 Bei der Erzeugung einer Windfeldbibliothek in Anwesenheit von Gebäuden wird für alle Anströmrichtungen innerhalb einer Stabilitätsklasse die gleiche mittlere Windgeschwin-digkeit benutzt.


ARTM test/h50a95 –z

dann wird nur diese Umwandlung ausgeführt und die explizite Zeitreihe wird in dem im

Anhang B des AUSTAL2000 Handbuches beschriebenen Format als Textdatei

zeitreihe.dmna ausgeschrieben. Bei ungültigen (fehlenden) Datensätzen hat die

Monin-Obukhov-Länge LM den Wert 0. Aus der AKTerm artm2000.akterm erhält

man z.B.

AKTerm artm2000.akterm explizite Zeitreihe zeitreihe.dmna

form "te%20lt" "ra%5.0f" "ua%5.1f" "lm%7.1f"

"ri%5.1f"

locl "C"

mode "text"

ha 3.2 4.1 5.7 7.4 9.8 14.4 20.0 24.4 28.3

z0 0.50

d0 3.00

sequ "i"

dims 1

* AKTERM-Zeitreihe mit Niederschlag, GRS, Koeln size 24

* Zeitraum 01/2000 bis 12/2000 lowb 1

* anonymisierte Daten, Stand: 28.09.2005 hghb 8784

+ Anemometerhoehen (0.1 m): 32 41 57 74 98 144 200 244 283 *

AK 10999 2000 01 01 00 00 1 1 196 12 1 1 1 -999 9 990 1 2000-01-01.01:00:00 192 1.2 40.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 01 00 1 1 232 14 1 1 1 -999 9 990 1 2000-01-01.02:00:00 228 1.4 40.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 02 00 1 1 234 15 1 3 1 -999 9 990 1 2000-01-01.03:00:00 229 1.5 99999.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 03 00 1 1 188 11 1 3 1 -999 9 990 1 2000-01-01.04:00:00 189 1.1 99999.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 04 00 1 1 207 23 1 2 1 -999 9 990 1 2000-01-01.05:00:00 208 2.3 139.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 05 00 1 1 218 43 1 3 1 -999 9 990 1 2000-01-01.06:00:00 218 4.3 99999.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 06 00 1 1 218 26 1 2 1 -999 9 990 1 2000-01-01.07:00:00 215 2.6 139.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 07 00 1 1 226 29 1 3 1 -999 9 990 1 2000-01-01.08:00:00 228 2.9 99999.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 08 00 1 1 226 38 1 3 1 -999 9 990 1 2000-01-01.09:00:00 230 3.8 99999.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 09 00 1 1 222 40 1 3 1 -999 9 990 1 2000-01-01.10:00:00 226 4.0 99999.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 10 00 1 1 224 44 1 3 1 -999 9 990 1 2000-01-01.11:00:00 225 4.4 99999.0 0.0

AK 10999 2000 01 01 11 00 1 1 229 34 1 3 1 -999 9 991 1 2000-01-01.12:00:00 233 3.4 99999.0 0.1

AK 10999 2000 01 01 12 00 1 1 209 24 1 3 1 -999 9 992 1 2000-01-01.13:00:00 209 2.4 99999.0 0.2

... ...

Die Zeitreihe enthält 4 Spalten. In der ersten steht die Uhrzeit te (=Endzeitpunkt der

betrachteten Stunde27) in GMT+1(MEZ) und die folgenden Spalten enthalten ra, ua und

LM. Die Benennung dieser Spalten und die Art ihrer Darstellung ist durch den

Parameter form im Kopf der Datei festgelegt.

6.1 Explizite Zeitreihe

Statt der AKTerm kann auch direkt diese Zeitreihe verwendet werden. Wenn ARTM im

Arbeitsordner eine Datei mit dem Namen zeitreihe.dmna findet, liest es sie ein und

interpretiert sie als umgesetzte AKTerm. Eine Angabe von as (AKS) oder az (AKTerm)

in der Eingabedatei wird dann ignoriert. Auf diese Weise können eigene

meteorologische Messungen in der Ausbreitungsrechnung verwendet werden. Die

27 Zur Bedeutung der Uhrzeit in AKTerm siehe Seite 26:


Zeitreihe muss mit der ersten Stunde eines Tages beginnen und sollte den Zeitraum

eines Jahres umfassen.

In der Zeitreihe können in weiteren Spalten auch zeitabhängige Emissionsparameter

aufgeführt werden. Quellstärken und die Parameter vq, qq, sq, tq, rq und lq dürfen

zeitabhängig sein. Die Zeitabhängigkeit wird dem Programm dadurch mitgeteilt, dass in

der Eingabedatei statt eines Zahlenwertes ein Fragezeichen steht. Die Zeitreihe muss

dann für jeden zeitabhängigen Parameter eine Spalte mit der Bezeichnung

Quelle.Parameter enthalten. Quelle ist die Nummer der Quelle, für die dieser Wert gilt

(zweistellig mit führender Null und beginnend mit 01).

Um die Erstellung einer solchen Zeitreihe zu erleichtern, wird von ARTM, wenn es mit

der Option -z aufgerufen wird, in der ausgeschriebenen Zeitreihe bereits für jeden

Parameter, der zeitabhängig definiert ist, eine Spalte mit den Zahlenwerten 0

eingefügt. Diese Nullwerte brauchen dann nur noch durch die richtigen Werte ersetzt

zu werden.

Beispielsweise könnte die Zeitreihe bei einer Anlage, die im 2-Schichtenbetrieb arbeitet

und nur zwischen 6 Uhr und 22 Uhr Cs-137 emittiert, folgendermaßen beginnen:28

form "te%20lt" "ra%5.0f" "ua%5.1f" "lm%7.1f" "01.cs137a%10.3e"

mode "text"

sequ "i"

dims 1

size 24

lowb 1

hghb 8760

*

1995-01-01.01:00:00 209 5.7 99999.0 0.000e+000

1995-01-01.02:00:00 217 5.8 99999.0 0.000e+000

1995-01-01.03:00:00 259 6.3 99999.0 0.000e+000

1995-01-01.04:00:00 267 6.7 99999.0 0.000e+000

1995-01-01.05:00:00 253 6.1 99999.0 0.000e+000

1995-01-01.06:00:00 248 6.0 99999.0 0.000e+000

1995-01-01.07:00:00 253 7.1 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.08:00:00 247 6.0 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.09:00:00 260 6.7 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.10:00:00 261 7.0 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.11:00:00 263 7.0 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.12:00:00 256 8.2 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.13:00:00 267 8.6 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.14:00:00 273 8.5 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.15:00:00 260 9.0 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.16:00:00 254 8.5 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.17:00:00 251 9.1 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.18:00:00 259 8.4 99999.0 1.168e+001

28 Das Jahr 1995 begann mit einem Sonntag. In einer realen Simulation würde vermutlich am ersten Tage nichts emittiert und der Schichtbetrieb erst am zweiten Tag beginnen.


1995-01-01.19:00:00 247 7.6 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.20:00:00 250 7.7 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.21:00:00 242 6.4 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.22:00:00 243 7.1 99999.0 1.168e+001

1995-01-01.23:00:00 253 7.0 99999.0 0.000e+000

1995-01-02.00:00:00 237 6.8 99999.0 0.000e+000

. . .

6.2 Ergebnisse

Als Ergebnis einer Zeitreihenrechnung wird für jeden emittierten Stoff, bei dem ein

Kurzzeit-Immissionswert existiert, die Zeitreihe der Konzentration an den

Beurteilungspunkten ausgegeben. Jede Spalte enthält die Werte für einen

Beurteilungspunkt, die Zeitangabe ist als Kommentar am Ende einer Zeile angehängt.

Negative Konzentrationswerte (Zahlenwert -1) bedeuten, dass die Konzentration

wegen fehlender Eingabedaten nicht berechnet werden konnte.

Im Folgenden ist eine solche Zeitreihe für einen kurzen Zeitraum beispielhaft

aufgelistet.

gakrx 4437800

gakry 5789700

mntn "01" "02"

mntx 375.0 600.0

mnty -25.0 700.0

mntz 1.5 1.5

mnti 58 63

mntj 50 65

mntk 1 1

grdl 0 0

grdi 0 0

undf -1

T1 "1995-01-01.00:00:00"

T2 "1995-01-02.00:00:00"

interval "01:00:00"

refdate "1995-01-01"

axes "ti"

name "h3w"

file "h3w-zbpz"

unit "Bq/m³"

form "con%10.3f"

locl "C"

refv 1.000e+000

dims 2

sequ "i,j"

lowb 1 1

hghb 24 2

*

0.000e+000 0.000e+000 ' 1995-01-01.01:00:00

1.943e-006 6.199e-007 ' 1995-01-01.02:00:00

0.000e+000 8.103e-006 ' 1995-01-01.03:00:00

0.000e+000 0.000e+000 ' 1995-01-01.04:00:00

0.000e+000 2.113e-006 ' 1995-01-01.05:00:00

…


Im Kopf der Datei stehen noch einmal die Parameter der Beurteilungspunkte

aufgelistet: Name mntn, x-Koordinate mntx, y-Koordinate mnty und Höhe über dem

Erdboden mntz (hier sind nur die wichtigsten Parameter aufgeführt).

Liegen die Vorbelastungswerte ebenfalls als Zeitreihe vor, dann kann ARTM auch die

Immissionskennwerte der Gesamtbelastung ausrechnen. Hierzu müssen die

Vorbelastungswerte in eine Textdatei geschrieben werden, die der aufgelisteten

Zeitreihe entspricht, und als Datei Stoff-zbpv.dmna im Arbeitsordner bereitgestellt

werden. In der Protokolldatei ARTM.log erscheint dann hinter der Zusatzbelastung an

den Beurteilungspunkten auch ein Abschnitt mit Angabe der Gesamtbelastung an den

Beurteilungspunkten.

In der Protokolldatei ARTM.log erscheint dann hinter der Zusatzbelastung an den

Beurteilungspunkten auch ein Abschnitt mit Angabe der Gesamtbelastung an den

Beurteilungspunkten.

Diese Auswertung kann auch nachträglich durchgeführt werden. Wird ARTM mit der

Option -a aufgerufen, dann wird keine Ausbreitungsrechnung durchgeführt, sondern

es werden nur die bereits berechneten Daten noch einmal hinsichtlich der

Immissionskennwerte ausgewertet.

40 Rechnen mit situationsabhängigen Parametern

7 Rechnen mit situationsabhängigen Parametern

Zeitlich variable Emissionsbedingungen sollten in der Regel in einer

Zeitreihenrechnung erfasst werden (siehe Abschnitt 6). Bei Verwendung einer AKS ist

eine zeitliche Zuordnung nicht mehr möglich.

In manchen Fällen ist aber die zeitliche Variation allein durch meteorologische

Veränderungen bedingt, wie beispielsweise bei windinduzierten Quellen. Hier hängt die

Quellstärke von der Windgeschwindigkeit ab (Beispiel: Schwebstaubemissionen von

Uranbergbauflächen). Auch bei der Abgasfahnenüberhöhung hängt die Weite und

Höhe des Fahnenanstiegs von der Windgeschwindigkeit und der Stabilität der

atmosphärischen Schichtung ab, doch braucht sich der Anwender in der Regel darum

nicht zu kümmern, da die Überhöhung nach VDI 3782 Blatt 3 bereits programmintern

gehandhabt wird.

Obwohl windinduzierte Quellen oder eine andere Modellierung des Fahnenanstiegs

(beispielsweise bei Ableitung über einen Kühlturm entsprechend VDI 3784 Blatt 2) in

Zeitreihenrechnungen berücksichtigt werden können, wurde den Anhängern der

Statistikrechnung mit der Einführung situationsabhängiger Parameter die Möglichkeit

gegeben, dies auch bei Verwendung einer AKS zu tun.

Situationsabhängige Parameter sind Parameter, deren Wert von der

Windgeschwindigkeit und der Stabilitätsklasse abhängen. Es können die gleichen

Parameter situationsabhängig vorgegeben werden, die auch zeitabhängig sein dürfen,

also vq, qq, sq, tq, rq, lq und die Quellstärken bezüglich der einzelnen Stoffe. Sie

sind auch ebenso zu kennzeichnen, also durch Angabe eines Fragezeichens statt

eines Zahlenwertes.

Die Werte eines situationsabhängigen Parameters v sind als 2-dimensionale Tabelle

vi,j in Form einer DMNA-Datei (siehe Abschnitt B) anzugeben, wobei i = 1, 2, … 6 die

Stabilitätsklassen und j = 1, 2, …9 die Windgeschwindigkeitsklassen durchläuft. Der

Dateiname hat, entsprechend der Kennzeichnung des Parameters in einer Zeitreihe,

die Form Quelle.Parameter.dmna, wobei Quelle die Nummer der Quelle und Parameter

der Name des Parameters ist, also beispielsweise 01.cs137a-1.dmna für die Cs-

137-Emission (Größenklasse 1) der ersten Quelle oder 143.vq.dmna für die

Ausströmgeschwindigkeit der 143-ten Quelle.


Die folgende Auflistung (Datei 01.cs137a-1.dmna) enthält Werte der Quellstärke,

die proportional au und bei ua = 1 m/s gleich 0.04 Bq/s sind:

dims 2

lowb 1 1

hghb 6 9

size 4

form "%6.3f"

sequ "i,j"

mode "text"

unit "Bq/s"

fact 25

*

1.000 1.225 1.414 1.732 2.121 2.449 2.739 3.000 3.464

1.000 1.225 1.414 1.732 2.121 2.449 2.739 3.000 3.464

1.000 1.225 1.414 1.732 2.121 2.449 2.739 3.000 3.464

1.000 1.225 1.414 1.732 2.121 2.449 2.739 3.000 3.464

1.000 1.225 1.414 1.732 2.121 2.449 2.739 3.000 3.464

1.000 1.225 1.414 1.732 2.121 2.449 2.739 3.000 3.464

***

42 Ausbreitungsrechnung für komplexes Gelände


Geländeunebenheiten und Gebäude können mit Hilfe des diagnostischen

Windfeldmodells TALdia berücksichtigt werden. Dies wird durch Setzen des

Parameters gh bzw. Vorgabe von Gebäuden in der Eingabedatei ARTM.txt

ausgelöst. Der Wert des Parameters gh ist der Name der Datei mit dem digitalen

Geländemodell (DGM), das die Information über die Geländehöhe im Rechengebiet

enthält. Gebäude werden über die Parameter xb, yb, ab, bb, cb, wb oder als

Rasterdatei über den Parameter rb vorgegeben. Geländeunebenheiten und Gebäude

können gleichzeitig berücksichtigt werden.

Warnung: Rechnungen für komplexes Gelände sind erheblich aufwändi-

ger und bergen wesentlich mehr Fehlermöglichkeiten als

Rechnungen für ebenes Gelände!

Bei Rechnungen mit Gebäuden benötigt die Windfeldbiblio-

thek beträchtlichen freien Festplattenspeicher, der je nach be-

trachteter Situation einige GB betragen kann!

8.1 Festlegung des Geländeprofils

Das DGM kann von dem jeweiligen Landesvermessungsamt bezogen werden.

Länderübergreifende Daten stellt auch das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie

(BKG, siehe www.ifag.de) zur Verfügung. Das DGM kann in folgenden Dateifor-

maten vorgegeben werden (alle Formate sind Textdateien, die mit jedem Editor

eingelesen oder geändert werden können):

Arcinfo-GRIDASCII:

Die Geländehöhen werden auf einem regelmäßigen Gitter angegeben, dessen

Maschenweite typischerweise 20, 40, 50 oder 100 m beträgt. Die

angegebenen Werte sind dabei als Geländehöhe in der Mitte einer Gitterzelle

zu verstehen.

Die ersten 6 Zeilen enthalten allgemeine Informationen, wobei in jeder Zeile

ein Parametername und der zugehörige Wert stehen:

ncols Anzahl der Spalten des Gitters


nrows Anzahl der Zeilen des Gitters

xllcorner Gauß-Krüger-Rechtswert der linken unteren Ecke der

linken unteren Gitterzelle

yllcorner Gauß-Krüger-Hochwert der linken unteren Ecke der

linken unteren Gitterzelle

cellsize Maschenweite (m)

NODATA_value Höhenwert bei fehlenden Daten

Anschließend folgen die Höhenwerte als 2-dimensionale Tabelle, wobei die

Zahlen so angeordnet sind wie die Gitterzellen auf der Landkarte. Die erste

Zahl der ersten Datenzeile ist also die Geländehöhe an dem Punkt mit dem

Rechtswert

xllcorner+0.5*cellsize

und dem Hochwert

yllcorner+(nrows-0.5)*cellsize.

Beispiel29(Ausschnitt):

ncols 261

nrows 241

xllcorner 4597475.0000

yllcorner 5396475.0000

cellsize 50.0000

NODATA_value -9999

542.9 532.4 517.1 503.5 497.3 497.7 501.7

549.5 539.3 526.0 511.8 499.0 491.0 490.1

544.0 536.0 527.3 518.2 507.3 495.9 487.6

532.3 525.2 518.1 512.9 507.5 499.0 488.3

523.5 515.8 509.0 505.0 502.1 497.4 489.4

DMNA:

Im Dateikopf stehen die bei DMNA-Dateien üblichen Format- und

Dimensionsangaben (siehe Kapitel 14).

Der Aufbau des Datenteils entspricht bei genordeter Darstellung (sequ hat

den Wert j-,i+) dem des GRIDASCII-Formates, die Höhenwerte beziehen

sich jedoch auf die Eckpunkte der Gitterzellen.

Der linke untere Eckpunkt der linken unteren Gitterzelle (bei genordeter

Darstellung) hat die Koordinaten xmin und ymin (m). Hierbei kann es sich um

29 Diese Daten (Datei tittling.grid) wurden aus den vom Bayerischen Landes-vermessungsamt im Internet (www.bayern.de/vermessung) zur Verfügung gestellten Testdaten umgewandelt und beschreiben ein Gebiet von 13 12 km² in der Nähe von Tittling.


Relativkoordinaten handeln, die sich auf den ebenfalls anzugebenden

Bezugspunkt refx und refy (alternative Bezeichnungen sind gakrx und

gakry) beziehen.

Parameter delta gibt die Maschenweite (m) an.

Beispiel (wie oben):

xmin 4597500.0

ymin 5396500.0

form "Z%6.1f"

delta 50.0

sequ "j-,i+"

dims 2

lowb 0 0

hghb 260 240

*

542.9 532.4 517.1 503.5 497.3 497.7 501.7

549.5 539.3 526.0 511.8 499.0 491.0 490.1

544.0 536.0 527.3 518.2 507.3 495.9 487.6

532.3 525.2 518.1 512.9 507.5 499.0 488.3

523.5 515.8 509.0 505.0 502.1 497.4 489.4

XYZ:

In jeder Zeile der Textdatei stehen genau drei Werte x, y und z (m). Hierbei

sind x und y die Absolutkoordinaten für den Höhenwert z. Die Liste muss aus

allen Gitterpunkten eines äquidistanten, rechteckigen Gitters bestehen.

Das Programm erwartet, dass im DGM für alle Gitterpunkte gültige Höhenwerte

angegeben sind. Aus dem DGM bestimmt das Programm die Geländehöhen an den

Gitterpunkten des Rechenrasters (Geländeprofil) und speichert sie als Datei

zg00.dmna im Projektordner ab. Die Maschenweite des Rechenrasters braucht dabei

nicht mit der Maschenweite des DGM übereinzustimmen, allerdings muss das

Rechengebiet vollständig innerhalb des vom DGM abgedeckten Bereiches liegen. Die

bei der Festlegung des Rechengebietes verwendeten Gauß-Krüger-Koordinaten

müssen aus demselben Meridianstreifen stammen wie die Koordinatenangaben im

DGM.

Enthält das Projektverzeichnis bereits die Datei zg00.dmna und ist das entsprechende

Rechennetz explizit in der Eingabedatei definiert, dann wird der im Parameter gh

angegebene Dateiname ignoriert und das Geländeprofil wird nicht neu berechnet.


In der Protokolldatei wird zur Information die maximale Steilheit des Geländes

vermerkt. Dabei werden die Geländehöhen an benachbarten Gitterpunkten verglichen

und es wird der Anstieg in Achsenrichtung beispielsweise in folgender Form

ausgeschrieben:

Die maximale Steilheit des Geländes ist 0.52 (0.47)

Die erste Zahl ist die Steilheit, die beim Vergleich unmittelbar benachbarter

Gitterpunkte gefunden wird, die zweite Zahl in Klammern ist der Wert, den man beim

Vergleich mit dem jeweils übernächsten Gitterpunkt erhält. Die Punkte haben dann in

der Regel einen Abstand von der doppelten Bauhöhe der Quelle. Die Zahl 0,2 bedeutet

einen Anstieg von 1:5.

8.2 Festlegung der Gebäude

Gebäude werden wie Quellen als Quader vorgegeben, allerdings liegt die Unterseite

eines Quaders immer auf dem Erdboden auf. Zusätzlich können Gebäude mit

kreisförmigem Grundriss durch einen negativen Wert für Parameter bb, dessen Betrag

den Kreisdurchmesser angibt, definiert werden30. Alternativ können Gebäude in Form

einer Rasterdatei über den Parameter rb vorgegeben werden.

Gebäude werden intern auf dem Rechennetz aufgerastert, d.h. diejenigen Gitterzellen

des Rechennetzes werden als Gebäudezellen angesehen, die ganz oder überwiegend

von Gebäuden ausgefüllt sind.31 Dieses Verfahren hat u.a. den Vorteil, dass man sich

bei der Festlegung der Gebäudeumrisse nicht um Überschneidungen kümmern muss,

da sie bei der Aufrasterung automatisch entfernt werden.

Die aufgerasterten Gebäude dürfen nicht mit Quellen überlappen. Damit geringfügige

Überlappungen nicht zu einem Programmabbruch führen, versucht ARTM Partikel, die

innerhalb einer Gebäudezelle freigesetzt werden, durch Versetzung um maximal eine

horizontale Zellweite aus dem Bereich der Gebäudezellen herauszudrängen. Gelingt

dies nicht, bricht das Programm mit einer Fehlermeldung ab.

30 Der Parameter ab muss dann auf null gesetzt werden. Der kreisförmige Grundriss wird intern als regelmäßiges 36-Eck behandelt.

31 Für eine quaderförmige Zelle mit Mittelpunkt (xm, ym, zm), horizontaler Ausdehnung x und vertikaler Ausdehnung z wird geprüft, ob der Mittelpunkt und die Punkte (xm ± x/4, ym ± y/4, zm ± z/4) innerhalb eines Gebäudes oder auf dem Gebäuderand liegen. Ist dies für mindestens 6 Punkte der Fall, wobei der Mittelpunkt doppelt gezählt wird, dann wird die Zelle als Gebäudezelle markiert.


Die Aufrasterung der Gebäude wird am Anfang der Windfeldberechnung in die Datei

volout00.dmna (bei geschachtelten Netzen in die Datei volout01.dmna und

gegebenenfalls volout02.dmna) im Projektordner ausgeschrieben. Im Datenteil wird

für jede Zelle des Rechennetzes ein ganzzahliger Wert vermerkt, der 1 ist, wenn die

Zelle einem Gebäude zugerechnet wird, und 0 andernfalls. Es sollte anhand dieser

Dateien überprüft werden, ob die Gebäude mit der gewählten Maschenweite

hinreichend gut aufgelöst werden.

8.3 Berechnung des Windfeldes

Das Windfeld wird mit dem in Anhang D des AUSTAL2000 Handbuches

beschriebenen diagnostischen Windfeldmodell TALdia berechnet. Ein Windfeld braucht

nicht für jede Wettersituation neu berechnet zu werden, denn das Programm macht

sich die Tatsache zu Nutze, dass bei gleicher Stabilität eine Linearkombination von

zwei Windfeldern (Addition mit unterschiedlichen Faktoren) wieder ein gültiges

Windfeld für diese Stabilität darstellt. Bei Gebäudeeinflüssen ist dieses Verfahren nicht

ganz korrekt, es lässt sich aber übernehmen, wenn die zwei verwendeten Windfelder

nicht zu unterschiedlich sind.

Das Programm TALdia berechnet daher für jede der 6 Stabilitätsklassen im Fall ohne

Gebäude nur zwei Windfelder, eins mit Süd-Anströmung und eins mit West-

Anströmung, und speichert diese 12 Felder in dem im Projektordner angelegten

Bibliotheksordner lib. Mit Gebäuden werden für jede Stabilitätsklasse 36 Windfelder

berechnet, die den Anströmrichtungen einer isotropen Windrose in 10-Grad-Schritten

entsprechen.

Bei der Ausbreitungsrechnung werden dann für jede Ausbreitungssituation aus den zu

der gerade vorliegenden Stabilitätsklasse gehörenden Windfeldern diejenigen zwei

ausgewählt, deren Windrichtung am Anemometerort der vorgegebenen Windrichtung

am nächsten kommt, und sie werden so kombiniert, dass die am Ort des Anemometers

vorgegebene Windgeschwindigkeit und Windrichtung exakt getroffen werden.

Sind Geländeunebenheiten und Gebäude vorgegeben, berechnet das Programm

TALdia zuerst ein divergenzfreies Windfeld ohne Gebäude.32 In dieses werden dann

32Dieser Teil entspricht dem früher verwendeten diagnostischen mesoskaligen Windfeldmodell TALdiames.


die Gebäudeeinflüsse eingearbeitet.33 Das Ergebnis ist ein divergenzfreies Windfeld

mit an Gelände und Gebäude angepassten Randbedingungen. Bei Gebäuden werden

neben den Windfeldern auch die Felder der zusätzlichen Geschwindigkeits-

fluktuationen und Diffusionskoeffizienten berechnet und ausgeschrieben.

Die Windfelder in der Windfeldbibliothek werden iterativ berechnet. Das Programm

startet mit einem nicht divergenzfreien Feld und versucht, dies iterativ divergenzfrei zu

machen. Wie weit dies dem Programm gelingt, sollte anhand der Protokolldatei

TALdia.log überprüft werden. Dort wird als "`Divergenz-Fehler"' der betragsmäßig

größte im Rechennetz gefundene Divergenzwert angegeben, multipliziert mit a/u ( :

horizontale Maschenweite, ua: Windgeschwindigkeit am Anemometer). Der

angegebene Zahlenwert sollte unter 0.05 liegen.

Es ist im Prinzip möglich, dass die Iterationen nicht konvergieren. Das Programm

meldet dies mit einer Fehlermeldung. Werden aber die in der TA Luft angegebenen

Beschränkungen an die zulässige Geländesteilheit beachtet, dann sollte dieser Fall in

der Praxis nicht auftreten34.

Bei Rechnungen für komplexes Gelände oder bei Verwendung externer Windfelder ist

es wichtig, dass das Anemometer möglichst frei angeströmt wird. Liegt es im Einfluss-

bereich von Hindernissen,35 dann ist es den hier verwendeten meteorologischen

Modellen in der Regel nicht möglich, mit hinreichender Genauigkeit auf die Art der

Anströmung zurückzuschließen. Um solche unbrauchbaren Anemometerpositionen

auszuschließen, sind drei Prüfungen eingebaut, die gegebenenfalls zum

Programmabbruch führen:

33Dieser Teil wird von dem mikroskaligen Windfeldmodell DMK übernommen, das im Abschlussbericht taldmk.pdf auf www.austal2000.de beschrieben ist.

34TA Luft: „Unebenheiten des Geländes sind in der Regel nur zu berücksichtigen, falls innerhalb des Rechengebietes Höhendifferenzen zum Emissionsort von mehr als dem 0,7fachen der Schornsteinbauhöhe und Steigungen von mehr als 1:20 auftreten. Die Steigung ist dabei aus der Höhendifferenz über eine Strecke zu bestimmen, die dem 2fachender Schornsteinbauhöhe entspricht. Geländeunebenheiten können in der Regel mit Hilfe eines mesoskaligen diagnostischen Windfeldmodells berücksichtigt werden, wenn die Steigung des Geländes den Wert 1:5 nicht überschreitet und wesentliche Einflüsse von lokalen Windsystemen oder anderen meteorologischen Besonderheiten ausgeschlossen werden können.“

35In der Regel tritt dieser Fall nur ein, wenn an einem anderen Ort erhobene meteorologische Daten auf das Rechengebiet übertragen werden und die ersatzweise angenommene Anemometerposition nicht sorgfältig genug ausgesucht wird.


1. Für jedes der Windfelder in der Windfeldbibliothek muss die Windgeschwindigkeit

am Ort des Anemometers größer als 0.5 m/s sein.

2. Das Windfeld, das in der Ausbreitungsrechnung schließlich verwendet wird, darf an

keiner Stelle eine Vertikalkomponente besitzen, die betragsmäßig größer als 25

m/s ist. 36

3. Die Summe der Quadrate der Überlagerungsfaktoren f1 und f2 für zwei Basisfelder

muss kleiner als 100 und größer als 1/400 sein.

8.4 Praktische Durchführung

Um Geländeunebenheiten in der Ausbreitungsrechnung zu berücksichtigen, sind nur

zwei Schritte erforderlich:

1. Das Digitale Geländemodell wird als Datei im Arcinfo-GRIDASCII-Format

bereitgestellt. Es muss das Rechengebiet umfassen.

2. Der Name dieser Datei wird in der Eingabedatei ARTM.txt als Parameter gh

angegeben.

Um Gebäude zu berücksichtigen, müssen sie in der Eingabedatei ARTM.txt

festgelegt werden.

Das Programm ARTM ruft dann von sich aus das Programm TALdia auf, welches das

Geländeprofil zg00.dmna im Projektordner und die Windfeldbibliothek im

Unterverzeichnis lib anlegt. Anschließend führt ARTM die Ausbreitungsrechnung

unter Verwendung dieser Windfelder durch. Die Turbulenzfelder werden lokal in

Abhängigkeit von der Höhe über dem Erdboden wie bei ebenem Gelände berechnet.

Die Rechenzeit verlängert sich aus folgenden Gründen:

1. Die Windfelder der Windfeldbibliothek müssen berechnet werden.

2. Für jede Stunde des Jahres (bei einer Zeitreihenrechnung) müssen 3-dimensionale

Wind- und Turbulenzfelder berechnet werden.

3. Die Berechnung der Partikelbahnen ist bei 3-dimensionaler Meteorologie

aufwendiger als bei 1-dimensionaler.

36 Die betrachtete Vertikalkomponente ist die im Gelände-folgenden Koordinatensystem ausgewiesene Komponente, die auch durch die Geländesteilheit und die Horizontalkomponente beeinflusst wird.


Insgesamt kann dies dazu führen, dass sich die Rechenzeit um den Faktor 5 bis 10

erhöht. Will man von diesem Standardvorgehen abweichen, ist folgendes zu beachten:

Existiert im Projektordner bereits eine Datei zg00.dmna, dann wird diese

verwendet, ungeachtet des angegebenen Digitalen Geländemodells.

Existiert im Projektordner ein Unterverzeichnis lib, dann wird davon

ausgegangen, dass sich darin die Windfeldbibliothek befindet, und es werden

keine Bibliotheksfelder neu angelegt.

Wird ARTM mit der Option -l aufgerufen, dann wird nur die

Windfeldbibliothek erzeugt und keine Ausbreitungsrechnung durchgeführt. In

diesem Fall werden die Windfelder in einer bestehenden Bibliothek nach einer

Rückfrage gelöscht und überschrieben.

Statt ARTM mit der Option -l aufzurufen, kann das Windfeldmodell auch

direkt in der Form taldia Projektordner im Dos Fenster aufgerufen werden.

50 Verwendung extern erzeugter meteorologischer Felder


Wie bereits im Abschnitt 8 erwähnt, verwendet ARTM bei Rechnungen in komplexem

Gelände die Windfelder, die es im Unterverzeichnis lib vorfindet. Diese brauchen nicht

mit TALdia erzeugt worden zu sein sondern können auch von einem anderen

meteorologischen Modell stammen, z.B. einem prognostischen Modell. Dabei können

außer dem Windvektor auch die Austauschkoeffizienten und die turbulenten

Geschwindigkeitsfluktuationen vorgegeben werden.

Damit ARTM diese Felder erkennt und sie richtig verwendet, sind folgende

Bedingungen einzuhalten:

1. Die Dateien müssen die Struktur besitzen, die in Anhang B des AUSTAL2000

Handbuches beschrieben ist. Die Daten sind Gleitkommazahlen und können in

Textform oder in Binärform (4 Byte pro Zahl) angegeben sein.

2. Anhand des Dateinamens wird unterschieden, welche Größe in der Datei

dargestellt ist. Folgende Namen werden verwendet:

w????a00.dmna Windvektor mit den Komponenten zp (Höhe über NN in m), vx

(x-Komponente des Windvektors in m/s), vy ( y -Komponente

des Windvektors in m/s), vs (s-Komponente des Windvektors in

m/s, vertikal vgl. Anhang D des AUSTAL2000 Handbuches).

ARTM verwendet nicht den angegebenen Wert von vs sondern

berechnet ihn neu aus der Divergenzfreiheit des Windfeldes.

v????a00.dmna Turbulente Geschwindigkeitsfluktuationen (Turbulenzfeld) in

m/s mit den Komponenten u , v , w und (potentielle

Temperatur in Grad). Sie ersetzen die Werte aus dem

Grenzschichtmodell von ARTM.

v????d00.dmna Turbulente Geschwindigkeitsfluktuationen in m/s, die zu denen

aus dem Grenzschichtmodell von ARTM (quadratisch) addiert

werden.

k????a00.dmna Austauschkoeffizienten (K-Feld) mit den Komponenten KH

(horizontaler Austauschkoeffizient in m 2 /s) und KV (vertikaler


Austauschkoeffizient in m 2 /s). Sie ersetzen die Werte aus

dem Grenzschichtmodell von ARTM.

k????d00.dmna Austauschkoeffizienten in m 2 /s, die zu denen aus dem

Grenzschichtmodell von ARTM addiert werden.

zp00.dmna z-Koordinaten der Gitterpunkte (in m über NN)

zg00.dmna Geländeprofil (unterste Schicht von zp00.dmna)

Die durch Fragezeichen symbolisierten 4 Zeichen kennzeichnen die

Ausbreitungssituation, beispielsweise könnte 2019 für "stabile Schichtung (Klug-

Manier-Klasse II entsprechend Pasquill-Gifford-Diffusionskategorie E), Wind-

richtung 190 Grad" stehen. Die Wahl der Zeichen ist beliebig, solange damit ein

gültiger Dateiname gebildet wird. Das Windfeld muss für jede der vorkommenden

Situationen angegeben sein. Wenn ein Feld vom Typ "v" oder "k" für eine Situation

angegeben ist, muss es für alle Situationen angegeben sein.

3. Es muss kenntlich gemacht sein, zu welcher Stabilitätsklasse eine Datei gehört.

Dies kann entweder über den Parameter akl im Dateikopf geschehen, dem ein

Wert zwischen 1 (entspricht Klug-Manier-Klasse I bzw. Diffusionskategorie F) und

6 (entspricht Klug-Manier-Klasse V bzw. Diffusionskategorie A) zugeordnet wird,

oder über die Art der Kennzeichnung, wobei das erste Zeichen als Nummer der

Ausbreitungsklasse interpretiert wird (s.o.).

4. Die Dateien stellen 3-dimensionale Tabellen dar (mit Ausnahme von zg00.dmna),

deren Indizes den Wertebereich 0 … nx, 0 … ny, und 0 … nz durchlaufen. nx und ny

sind die in der Eingabedatei definierten Größen nx (Anzahl der Intervalle in x-

Richtung) und ny (Anzahl der Intervalle in y-Richtung). Die Anzahl der Intervalle in

z-Richtung ergibt sich aus dem vertikalen Raster, das mit dem Eingabeparameter

hh (Höhe über dem Erdboden) explizit festgelegt werden kann. Standardsetzung

bei Rechnungen ohne Gebäude ist

hh 0 3 6 10 16 25 40 65 100 150 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200 1500

also nz = 19.

5. Die Geschwindigkeitskomponenten sind auf einem Arakawa-C-Netz festgelegt,

also beispielsweise vx in x-Richtung auf Gitterpunkten (0 ≤ i ≤ nx), in y- und z-

Richtung jeweils auf den Mittelpunkten der Intervalle (1 ≤ j ≤ ny, 1 ≤ k ≤ nz,).

Entsprechendes gilt für vy und vz. Alle anderen Größen sind auf den Gitterpunkten


definiert.

Um dies zu kennzeichnen, ist bei den Windfeldern im Dateikopf der Parameter

vldf anzugeben, der für jede der Komponenten mit einem Buchstaben festhält,

wie diese Komponente im Netz definiert ist. Es ist

vldf PXYS bei den Windfeldern

vldf PPPP bei den turbulenten Geschwindigkeiten

vldf PP bei den Turbulenzfeldern

vldf P bei den Gitterdefinitionen

Weiterhin müssen im Dateikopf die Netzparameter dd, x0, y0 und hh angegeben

sein und zusätzlich die folgenden Parameter:37

axes xyz

lsbf 1

sscl 0

zscl 0

6. Bei Windfeldern, die eine Gebäudeumströmung beschreiben, sind die Gitterzellen

ausgespart, die im Inneren von Gebäuden liegen. Um dem Programm kenntlich zu

machen, um welche Zellen es sich handelt, ist bei diesen Zellen der Wert von vs

am Boden der Zelle auf -99 zu setzen. Überhängende Gebäude oder

Brückenbauwerke, die dazu führen, dass eine ausgesparte Gitterzelle über einer

nicht ausgesparten liegt, sind nicht zulässig.

Findet ARTM eine solche Bibliothek (also Unterverzeichnis lib im Projektordner),

dann werden die darin enthaltenen Felder katalogisiert und auf Vollständigkeit geprüft.

Im Unterverzeichnis dürfen keine weiteren Dateien stehen. Sodann wird in dem

Katalog eingetragen, zu welcher Stabilitätsklasse die betreffende Situation gehört und

welche Windrichtung und Windgeschwindigkeit im Windfeld am Ort des Anemometers

auftritt.

Wird später ein Windfeld für eine bestimmte Stabilitätsklasse, Windrichtung und

Windgeschwindigkeit benötigt, dann wird zunächst im Katalog nachgesehen, welche

beiden Windfelder dieser Stabilitätsklasse eine Windrichtung besitzen, die der

37 Die Angabe "lsbf 1" bedeutet, dass bei binär abgespeicherten Zahlen das niedrigstwertige Byte (least significant byte) zuerst abgespeichert ist. Dies ist der Standard bei Intel- und AMD-Prozessoren.


vorgegebenen am nächsten kommt.38 Sodann werden diese beiden Felder linear

überlagert, so dass das resultierende Feld am Anemometerort genau die gewünschte

Windrichtung und Windgeschwindigkeit besitzt. Mit den gleichen Faktoren werden auch

die zugehörigen Turbulenzfelder und K-Felder -- sofern vorhanden -- überlagert.

Bei einer Netzschachtelung (siehe Abschnitt 10) wird genauso verfahren. Die Felder

sind für jedes Netz anzugeben. Die Nummer n des verwendeten Netzes (1 ≤ n ≤nn) ist

im Namen jeder Datei anzugeben, und zwar ist die Ziffernfolge 00 am Ende des

Dateinamens (ohne Namenserweiterung) durch i1 zu ersetzen mit i = nn + 1 - n. Zum

Beispiel haben bei einer Schachtelung mit 3 Netzen die Windfelder des feinsten Netzes

die Namen w????a31.dmna.

Der Windvektor am Anemometerort wird vom Programm aus dem Netz bestimmt, das

die kleinste Maschenweite hat, aber den Anemometerort noch enthält. Die daraus

berechneten Überlagerungsfaktoren werden dann für alle Netze der jeweiligen

Situation verwendet.

Bei einer Netzschachtelung in komplexem Gelände müssen die Geländeprofile

aufeinander abgestimmt sein. Dabei müssen in einem feinen Netz in einem

Randstreifen von 2 Maschenweiten Breite die Höhenwerte des nächst gröberen Netzes

übernommen werden, gegebenenfalls durch lineare Interpolation. Es ist daher

zweckmäßig, zuerst von ARTM bzw. TALdia die Geländeprofile lib/zgi1.dmna

ausrechnen zu lassen (Programm starten und kurz darauf abbrechen) und diese dann

für die eigene Windfeldberechnung zu verwenden. Die Dateien zg0i.dmna im

Projektverzeichnis sind hierfür nicht geeignet.

38Das bedeutet auch, dass es zu jeder Stabilitätsklasse mindestens 2 Windfelder geben muss, denn sonst kann nicht interpoliert werden.

54 Festlegung der Rechennetze


Ohne Gebäude wird normalerweise mit einem einzigen Rechennetz gearbeitet. Dieses

kann entweder vom Programm oder vom Anwender festgelegt werden. Das Programm

wählt es so, dass für die niedrigste Quelle die Maschenweite hinreichend fein ist und

alle Quellen hinreichend weit umfasst werden. Entsprechend TA Luft bedeutet dies,

dass die Maschenweite gleich der Bauhöhe der niedrigsten Quelle gesetzt wird (ohne

Gebäude mindestens aber 16 m beträgt) und für jede Quelle ein Kreis um die Quelle

mit einem Radius vom 50-fachen der Bauhöhe darin enthalten ist. Als Bauhöhe wird

hierbei die mittlere Bauhöhe eingesetzt, die sich aus der Summe von tatsächlicher

Bauhöhe hq und der Hälfte der vertikalen Ausdehnung cq ergibt.

Die automatische Festlegung des Rechengitters wird auch über den Qualitätsflag qb

der Eingabedatei ARTM.txt gesteuert (siehe Kapitel 4). Besonders bei hohen

Gebäuden kann eine hohe Qualitätsstufe dazu führen, dass die automatische

Gitterfestlegung zu viele vertikale Level erzeugt und die Maximalzahl der vertikalen

Level von 100 überschritten wird. Dies führt zum Programmabbruch. Um die

vorgegebene Problemstellung dennoch bearbeiten zu können, muss entweder der

Qualitätsflag qb heruntergesetzt werden, oder die vertikalen Level explizit vorgegeben

werden (siehe Parameter hh, beschrieben in Kapitel 4).

Wird das Rechennetz in der Eingabedatei explizit festgelegt, müssen alle zu seiner

Festlegung notwendigen Parameter angegeben sein, also dd, x0, nx, y0 und ny. Die

Parameter dd, x0 und y0 sollten nur ganzzahlige Werte erhalten, da rechnerbedingte

Ungenauigkeiten bei der Übernahme von Dezimalbrüchen zu Problemen führen

können.

Bei Rechnungen mit Gebäuden oder bei Quellkonfigurationen mit mehreren Quellen,

die sich in der Bauhöhe stark unterscheiden, ist dieses Vorgehen unzweckmäßig. Für

die Gebäude und die niedrigen Quellen wird ein feinmaschiges Netz benötigt, das aber

auch noch in großer Entfernung, wo die Beiträge der hohen Quellen wirksam sind,

verwendet wird. Dort erhält man für die berechneten Konzentrationswerte eine hohe

statistische Unsicherheit, da die Auszählvolumina unnötig klein sind.

Dies kann vermieden werden, wenn das feinmaschige Netz nur in der Umgebung der

Gebäude und der niedrigen Quellen verwendet wird und weiter außen mit einem


gröberen Netz gerechnet wird, also mehrere Netze unterschiedlicher Maschenweite

ineinander geschachtelt werden. Für eine solche Schachtelung gibt es eine Reihe von

Einschränkungen, damit das berechnete Konzentrationsfeld möglichst wenige

Artefakte enthält:

Eine Vergrößerung der Maschenweite muss genau um den Faktor 2 erfolgen.

Die Ränder eines feinen Netzes müssen auf den Gitterlinien des nächst

gröberen Netzes liegen.

Ein grobes Netz muss eine größere Ausdehnung als das nächst feinere Netz

besitzen.

Die inneren Netze müssen in jeder Koordinatenrichtung um 2 Zellen größer

gewählt werden als nach den Vorgaben der TA Luft erforderlich, da die Werte

in den äußersten beiden Spalten bzw. Zeilen an jedem Rand nicht in die

Auswertung einbezogen werden.39

Bei Rechnungen ohne Gebäude legt das Programm von sich aus ein einzelnes

Rechennetz an. Ein System von geschachtelten Netzen wird angelegt, wenn als Option

os in der Eingabedatei die Zeichenkette NESTING angegeben ist. Die Parameter der

Netzschachtelung werden in der Protokolldatei vermerkt. Sie können in der

angegebenen Form auch direkt in die Eingabedatei kopiert werden. Wird die Art der

Netzschachtelung vom Anwender vorgegeben, dann müssen die Parameter der Netze

in aufsteigender Folge der Maschenweite angeben sein.40 Eine gültige Netzwahl bei

einer 50 m hohen Punktquelle im Ursprung des Koordinatensystems wäre also

beispielsweise:

dd 50 100 200

x0 -1100 -2200 -2800

nx 44 44 28

y0 -1100 -2200 -2800

ny 44 44 28

Bei Rechnungen mit Gebäuden müssen bei der Festlegung der Rechennetze

zusätzliche Besonderheiten beachtet werden:

1. Gebäude werden intern auf dem Rechennetz aufgerastert. Maschenweite und

Vertikalintervalle sind daher so zu wählen, dass die Gebäudeumrisse in der

Rasterung hinreichend genau abgebildet werden. Die Aufrasterung kann in den

39 Diese Werte können durch die Abbildung der Netze aufeinander verfälscht sein.

40 Die Option NESTING kann dann entfallen.


vom Windfeldmodell TALdia ausgeschriebenen Dateien volout0l.dmna

kontrolliert werden.

2. Bei Netzschachtelung werden die Gebäude zur Berechnung des Windfeldes nur in

dem feinsten Netz (das mit der kleinsten Maschenweite) berücksichtigt. Der

Einfluss eines Gebäudes auf das Windfeld erstreckt sich typischerweise bis zu

einer Entfernung von 5 Gebäudehöhen, die Ausdehnung des Netzes (bzw. bei

Netzschachtelung des feinsten Netzes) sollte entsprechend groß gewählt werden.

In den Randzellen des Netzes dürfen sich keine Gebäude befinden.

3. Damit die iterative Berechnung des Windfeldes im feinsten Netz gut konvergiert,

sollten die Vertikalintervalle im feinsten Netz möglichst konstant sein. Dies kann

durch geeignete Festlegung der Vertikalintervalle (Parameter hh) und der

Obergrenze des feinsten Netzes bei Netzschachtelung (Parameter nz) erreicht

werden.

4. Der Einfluss eines Gebäudes auf die Turbulenzeigenschaften der Strömung

erstreckt sich typischerweise bis zu einer Entfernung von 10 Gebäudehöhen. Falls

bei Netzschachtelung das feinste Netz eine kleinere Ausdehnung hat, werden die

entsprechenden Zusatzfelder bei der Erstellung der Windfeldbibliothek auch für

das zweitfeinste Netz erzeugt. In diesem Fall sollten die Gebäude auch in diesem

Netz bei der Aufrasterung hinreichend gut aufgelöst werden.

Sind keine Rechennetze vom Benutzer vorgegeben, versucht das Programm, diese

Aspekte bei der automatischen Festlegung der Rechennetze zu berücksichtigen. Bei

Rechnungen mit Gebäuden wird standardmäßig immer ein System von geschachtelten

Netzen angelegt. Dies kann unterdrückt werden, wenn als Option os in der

Eingabedatei die Zeichenkette -NESTING angegeben ist. Die vom Programm gewählte

Netzschachtelung berücksichtigt sowohl die Gebäude- als auch die Quellkonfiguration.

Die maximale Gebäudehöhe und die gewählten Vertikalintervalle und Parameter der

Netzschachtelung werden in der Protokolldatei vermerkt.

Das Programm berechnet die Konzentration und die Deposition auf jedem der Netze.

Um die Ergebnisse unterscheiden zu können, ist an den eigentlichen Namen der

Ergebnisdatei noch die Nummer des zu Grunde liegenden Netzes angehängt

(beginnend mit 1 für das feinste Netz). Beispielsweise werden unter Verwendung der

oben angegebenen Netzschachtelung statt der Datei cs137a-cncz.dmna die Dateien

cs137a-cncz01.dmna und cs137a-cncz02.dmna erzeugt.


Die in der Protokolldatei angegebenen Immissionskennwerte sind die Maxima aus den

verwendeten Netzen. Dann wird aus allen Netzen der insgesamt höchste Wert

herausgesucht und im Protokoll vermerkt. Aus welchem Netz der Wert stammt, ist

ebenfalls angegeben. (siehe Kapitel 5)

Bei Netzschachtelung für gegliedertes Gelände ist darauf zu achten, dass das

verwendete digitale Geländemodell auch das größte Netz umfasst. Die aus dem

digitalen Geländemodell berechneten Geländeprofile enthalten jetzt in ihrem Namen

statt 00 die Nummer des zugehörigen Rechennetzes, also beispielsweise zg03.dmna.

58 Ableitung von Abgasen über Schornsteine und Kühltürme


Bei der Ableitung von Abgasen über Schornsteine wird die Abgasfahnenüberhöhung

gemäß VDI 3782 Blatt 3 berechnet. Die in der Richtlinie angegebenen

Überhöhungsformeln gelten für Windgeschwindigkeiten in Schornsteinhöhe uq > 1 m/s.

Um in der Praxis eine Anwendung auf beliebige AKTerm-Reihen zu ermöglichen, wird

für uq < 1 m/s die Überhöhung ersatzweise mit dem Wert 1 m/s berechnet.

Bei der Ableitung von Abgasen über Kühltürme wird die Abgasfahnenüberhöhung

gemäß VDI 3784 Blatt 2 berechnet.41 Intern wird hierfür das vom VDI zur Verfügung

gestellte Programm VDISP verwendet. ARTM erzeugt die entsprechende Eingabedatei

VDIIN.DAT, ruft das Programm vdisp.exe auf und liest anschließend die

Ergebnisse aus der Datei VDIOUT.DAT ein. Der von VDISP berechnete Anstieg der

Fahnenachse wird analysiert und intern werden die Parameter vq und sq so gesetzt,

dass die gleiche Endhöhe (effektive Quellhöhe) erreicht wird und der halbe Wert der

Überhöhung in der gleichen Entfernung erzielt wird (siehe Verifikation 51c in Anhang A

des AUSTAL2000 Handbuches). Damit geht das Programm noch über die Forderung

der VDI 3784 Blatt 2 hinaus, nach der nur die effektive Quellhöhe in das

Ausbreitungsmodell übernommen zu werden braucht.

Um nicht für jedes Partikel eine solche Analyse durchführen zu müssen, legt ARTM

intern eine Tabelle an, in der vermerkt ist, welche Situationen schon mit VDISP

gerechnet und welche Werte von vq und sq hierfür erhalten wurden. Wenn für ein

Partikel die Überhöhung zu bestimmen ist, wird zuerst diese Tabelle überprüft, ob die

zu berechnenden Werte schon bekannt sind. Dabei wird für die Windgeschwindigkeit

eine Abweichung von maximal 10 % toleriert.

Falls das Programm VDISP ohne Berechnung der Überhöhung abbricht (z.B. wegen

einer zu kleinen Froude-Zahl), wird für diese Situation ersatzweise ohne Überhöhung

gerechnet und am Ende der Ausbreitungsrechnung wird ein entsprechender

Warnhinweis in der Datei artm.log ausgegeben.

Zur Verwendung von VDISP im Rahmen der TA Luft macht Prof. Schatzmann, Mitautor

von Modell, Richtlinie und Programm VDISP, folgende Anmerkungen:

41 Eine Quelle wird als Kühlturm interpretiert, wenn die Parameter lq (Flüssigwassergehalt)

oder rq (Relative Feuchte) Werte größer 0 haben.


Die Ableitung der Rauchgase zusammen mit dem Wasserdampfschwaden über einen

Naturzugnasskühlturm ist attraktiv, weil Kühlturmschwaden verglichen mit

Schornsteinfahnen einen wesentlich größeren Wärmeinhalt besitzen. Die das

Verhältnis von Impuls- zu Auftriebskräften am Einleitungsort kennzeichnende

hydrodynamische Ähnlichkeitskennzahl, die densimetrische Froudezahl, unterscheidet

sich bei Schornsteinfahnen und Kühlturmschwaden um etwa eine Größenordnung. Die

relative Bedeutung der Auftriebskräfte ist bei Kühlturmschwaden somit etwa 10 mal

größer als bei Rauchgasfahnen aus Schornsteinen. Dies führt vor allem bei geringen

Windgeschwindigkeiten zu größeren effektiven Quellhöhen. Da sich das zu erwartende

Bodenkonzentrationsmaximum in etwa invers proportional zum Quadrat der effektiven

Quellhöhe verhält, wird in diesem Geschwindigkeitsbereich der Kühlturm zu geringeren

Immissionen führen als der Schornstein.

Bei Starkwind kehren sich die Verhältnisse dagegen um. Kühlturmschwaden treten im

Vergleich zu Schornsteinfahnen mit einer viel geringeren Vertikalgeschwindigkeit in die

Atmosphäre ein. Bei Starkwind übersteigt in Kühlturmkronenhöhe die

Windgeschwindigkeit die Schwadenaustrittsgeschwindigkeit, mit der Folge, dass Teile

des Schwadens in den Kühlturmnachlauf gezogen und zum Boden gemischt werden.

Zusätzliche "`down-wash"'-Effekte gehen von anderen hohen Bauwerken des

Kraftwerks und seiner Umgebung aus. Da hohe Windgeschwindigkeiten seltener

vorkommen als geringe, bleibt -- betrachtet über repräsentative Zeiträume -- die

Ableitung der Abgase zusammen mit dem Kühlturmschwaden die günstigere

Ableitungsvariante. Da die Intensität der "`down-wash"'-Erscheinungen von der

speziellen Geometrie des Kraftwerkskomplexes und seiner Umgebung abhängt, ist

allerdings jeweils zu prüfen, ob diese generelle Aussage auch im Einzelfall zutrifft und

die in der TA-Luft festgeschriebenen Immissionswerte eingehalten werden.

Die komplexen Schwaden/Bauwerks-Wechselwirkungen lassen sich mit numerischen

Modellen derzeit noch nicht simulieren. Deshalb werden üblicherweise in Grenzschicht-

Windkanälen Experimente durchgeführt, mit dem Ziel, sogenannte

Verstärkungsfaktoren zu bestimmen. Diese Faktoren dienen dazu, Rechenergebnisse

zu korrigieren, wie sie mit den im Genehmigungsverfahren üblicherweise verwendeten

Standardmodellen für die Bestimmung von Immissionskennwerten nach TA-Luft

ermittelt werden. Diese Standardmodelle setzen die freie Abströmung der Abgase in

eine ungestörte Windströmung voraus. Bauwerkseinflüsse können sie nicht

berücksichtigen.


Eine Gegenüberstellung des Fahnenanstiegs, wie er von VDISP berechnet und von

ARTM realisiert wird, ist in der Verifikation 51c in Anhang A des AUSTAL2000

Handbuches enthalten.

Neben der standardmäßigen Verwendung der Richtlinien VDI 3782 Blatt 3 und VDI

3784 Blatt 2 zur Bestimmung der Abgasfahnenüberhöhung kann die Überhöhung auch

explizit über die Parameter sq und vq (auch als Zeitreihe) vorgegeben werden.


12 Die graphische Benutzeroberfläche GO-ARTM

Die graphische Benutzeroberfläche GO-ARTM ermöglicht es, die ARTM-

Eingabeparameter in einer übersichtlichen Form vorzugeben, ARTM und DARTM

anzusteuern und einfache Auswertungen der Ergebnisse vorzunehmen. Gestartet wird

die Oberfläche durch Doppelklick auf das Programm-Icon. Das GO-ARTM Fenster

öffnet sich (Abbildung 1)

Abbildung 1 Graphische Benutzeroberfläche GO-ARTM

Die fünf Menüpunkte Datei, Bearbeiten, Start und Hilfe werden im Folgenden

beschrieben:

Datei Verwaltung von Projekten

Neues Projekt

Ein neues Projekt anlegen. In dem daraufhin sich öffnenden Fenster muss ein

Name für das Projekt festgelegt werden und eine Meteorologie-Datei

vorgegeben werden. Der Name der Datei kann direkt eingetippt werden oder

über einen File Browser (Button durchsuchen) ausgewählt werden.

Projekt öffnen

Ein vorhandenes Projekt öffnen. Ein File-Browser öffnet sich im Unterordner

Projekte der GO-ARTM Installation. Sollen ältere Projekte geöffnet werden,

die mit einer früheren ARTM-Version gerechnet wurden, erscheint eine

Meldung, dass die es sich um eine alte Version handelt. Diese kann auch

geladen werden. Lediglich die Änderungen bei der Formatierung der os

Parameter sind bei einer erneuten Simulation des Projektes zu beachten (siehe

unten: Bearbeiten > Allgemeine Paramter > Optionen).


Projekt speichern

Ein geöffnetes Projekt speichern. Alle über GO-ARTM vorgenommen

Änderungen der Parameter werden in der ARTM.txt Datei des geöffneten

Projektes gespeichert. Eine vorher vorhandene ARTM.txt Datei wird dabei

überschrieben.

Projekt speichern unter

Ein geöffnetes Projekt unter einem neuen Namen speichern. Dabei wird ein

neues Projekt angelegt und aus den gewählten Input-Parametern eine

ARTM.txt-Datei erzeugt.

Log-File ansehen

Log-Datei von einem offenen Projekt anschauen, das schon einmal gestartet

wurde

Beenden

Programm GO-ARTM beenden und das Fenster schließen

Bearbeiten Die Input-Daten des Projektes anpassen. Hier werden unter anderem

die Parameter der ARTM-Rechnung festgelegt. Genauere Informationen zu den

entsprechenden Parametern in der ARTM.txt Datei befinden sich in Kapitel 4.

Anwendername

Hier besteht die Möglichkeit, dem Programm den Name des Anwenders

mitzuteilen.

Allgemeine Parameter

In dem sich hierüber öffnenden Fenster können die folgenden Parameter

vorgegeben werden:

o Meteorologie-Datei (AKTerm- oder AKS-Datei). Hier kann entweder

direkt der Name, gegebenenfalls inklusive Pfad, eingetippt werden, oder

die Datei über den durchsuchen-Button in dem sich dann öffnenden

File-Explorer ausgewählt werden (Parameter az bzw. as).

o Gelände-Datei. Soll mit einem strukturierten Gelände gerechnet

werden, besteht hier die Möglichkeit, die Datei mit dem Geländeprofil

vorzugeben (siehe auch Kapitel 8.1, Parameter gh).

o Qualitätsstufe. Qualitätsstufe der Simulation, die bestimmt, mit wie

vielen Partikeln die Ausbreitungsrechnung ausgeführt wird (Parameter

qs).

o Zufallszahl. Zufallszahl, die die Anfangs-Partikelverteilung (Ort und

Geschwindigkeit) in der Quelle bestimmt. Soll eine Simulation


reproduziert werden, dann muss auch dieser Parameter gleich gesetzt

werden, da sonst statistische Schwankungen in den Ergebnissen

auftreten (insbesondere bei einer niedrigen Qualitätsstufe werden diese

deutlich)

o Optionen. Hier können die os Optionen als Text vorgegeben werden.

Dabei ist auf die richtige Formatierung zu achten: Text umschlossen von

Gänsefüßchen, mehrere Parameter durch Semikolon getrennt.

Rechengitter

Die Lage des Koordinatenursprungs wird als Rechts- und Hochwert in Gauß-

Krüger-Koordinaten angegeben (Parameter gx und gy)

Die Rauhigkeitslänge (Parameter z0) kann vorgegeben oder interaktiv

bestimmt werden (Button bestimmen)42.

Die Verdrängungshöhe kann vorgegeben werden (Parameter d0).

Standardmäßig ist die Automatische Gitterbestimmung eingestellt, in

der Checkbox ist ein Haken. Soll das Gitter bzw. sollen die Gitter explizit

vorgegeben werden, dann muss die Checkbox deaktiviert werden. Für jedes

der in Anzahl Gitter angeforderten Gitter erscheint eine Tabellenspalte. In

die einzelnen Reihen werden Linker Rand (x0), Unterer Rand (y0),

Horizontale Maschenweite (dd), Anzahl der Gittermaschen in

x-Richtung (nx) und Anzahl der Gittermaschen in y-Richtung

(ny) abgefragt. Siehe dazu auch Kapitel 10.

Quellparameter

Hier wird zunächst die Anzahl der Quellen festgelegt. Für jede Quelle

öffnet sich eine Spalte in der folgenden Tabelle, in der die Quellparameter

festgelegt werden können: Höhe der Quellunterkante über dem

Erdboden (hq), Ausdehnung der Quelle in x-Richtung (aq),

Ausdehnung der Quelle in y-Richtung (bq), Ausdehnung der

Quelle in z-Richtung (cq), Drehwinkel der Quelle um

vertikale Achse (wq), Wärmestrom des Abgases (qq),

Ausströmgeschwindigkeit des Abgases (vq), Tu für VDI 3945,

Blatt 3, Abs. D5 (sq), Durchmesser der Quelle (dq),

42 In der Version 1.09 von GO-ARTM tritt ein Fehler beim Aufruf des Programms rl_inter.exe auf. Ist die

Bestimmung der Rauhigkeitslänge beendet, erscheint ein Fenster mit der Fehlermeldung, dass bei der

Ausführung von ARTM ein Fehler aufgetreten sein. Das ist allerdings nicht der Fall, das Fenster kann

einfach weggeklickt werden (auf „nein“ drücken, ein Log-File wurde zu diesen Zeitpunkt noch nicht

erstellt).


Flüssigwassergehalt der Abgasfahne (lq), Abgastemperatur (tq),

relative Feuchte der Abgasfahne (rq), x-Koordinate der

Quelle (xq), und y-Koordinate der Quelle (x0).

Es schließt sich die Liste der Nuklide in ihren verschiedenen physikalischen

Formen an. Für jede Form kann eine Quellstärke für jede Quelle angegeben

werden. Dies ist entweder der über den Simulationszeitraum konstante Wert in

Bq/s oder ein Fragezeichen „?“ als Zeichen dafür, dass jeweils aktuelle

Quellparameter in einer zeitreihe.dmna vorgegeben ist (siehe Unterpunkt

Emissionszeitreihe unter demselben Menüpunkt. Bearbeiten).

Anemometerdaten

Die Lage des Anemometers wird festgelegt mit Anemometerhöhe über

Störniveau (ha), x-Koordinate der Anemometerposition (xa) und y-

Koordinate der Anemometerposition (ya).

Beurteilungspunkte

Die Lage der Beurteilungspunkte wird festgelegt mit xp, yp und hp für jeden

der Punkte (über Anzahl Beurteilungspunkte festgelegt).

Gebäudedaten

Die Lage der Gebäude wird festgelegt. Entweder man gibt jedes Gebäude

explizit mit seinen Koordinaten an. Dann wählt man die Anzahl der

Gebäude aus und für jedes Gebäude erscheint eine Spalte, in der man jeweils

xp, yp, ab, bb, cb und wb angeben kann, oder man wählt eine

Gebäuderasterdatei aus (siehe auch Kapitel 8.2)

Die Qualitätsstufe Gebäuderechnung (qb) kann ebenfalls unter dieser

Rubrik eingestellt werden.

Emissionszeitreihe

Sind Quellparameter nicht konstant sondern zeitabhängig, also mit dem

Quellterm ? angegeben, dann kann mit dem über diesen Unterpunkt

aufrufbarem Programm Emissionszeitreihen eine zeitreihe.dmna

erstellt werden.

Artm.Settings

Hiermit wird der sogenannte Nuklid-Editor aufgerufen. Für Standardsimu-

lationen ist es normalerweise nicht nötig, diesen Editor aufzurufen. Über den

Button Artm.Settings laden kann die Datei Artm.settings in den

Nuklid-Editor geladen werden. Es lassen sich dann die Nukliddaten ändern

oder ergänzen, sowie die Koeffizienten für die Gammasubmersion und die


Aerosolparameter ändern. Informationen zu diesen Parametern befinden sich in

der ARTM-Modellbeschreibung.

ACHTUNG: Wird nach Änderungen auf Artm.Settings speichern

gedrückt, wird die Orginaldatei artm.settings überschrieben. Um den

Auslieferungszustand der Datei wieder herstellen zu können, befindet sich eine

Kopie des Orginals unter dem Namen artm.settings_backup im

Unterordner ARTM der Distribution.

Start Starten von ARTM oder DARTM

ARTM

Ein Fenster wird geöffnet, in dem sich die ARTM-Simulation starten und der

Fortgang der Rechnung verfolgen lässt. Falls das Projekt vorher schon einmal

gerechnet wurde, wird vorher nachgefragt, ob bereits vorhanden Ergebnisse

gelöscht werden sollen und ob eine eventuell schon vorhandene Windfeld-

bibliothek verwendet oder neu erzeugt werden soll.

DARTM

Das Dosimodul DARTM kann hierüber gestartet werden, wenn die benötigten

ARTM-Simulationen dazu abgeschlossen sind. Informationen dazu finden sich

in der Datei Anleitung Dosisberechung1_01.pdf im Unterordner DARTM.

Grafik Graphische Darstellung von Input-Daten und Simulationsergebnissen von

ARTM und DARTM

Meteorologie

Es lässt sich entweder eine Darstellung der Statistik (bei Verwendung einer

AKS oder AKTerm) oder Zeitreihe (nur bei Verwendung einer AKTerm möglich)

der meteorologischen Inputdaten anzeigen. Bei der Statistik werden Häufig-

keitsverteilungen der Windgeschwindigkeits-, Ausbreitungs- und Niederschlags-

klassen sowie der Windrichtungen angezeigt. Bei der Zeitreihe lassen sich

Windrichtung Wr, Windgeschwindigkeit Wg und Regenrate RR über die Zeit

darstellen. Die Meteorologie-Daten lassen sich schon vor einer Simulation

anschauen.

Kataster


Bei einer Rechnung mit Gelände lassen sich hiermit die Geländedaten

anschauen43. Dazu muss die Simulation wenigstens kurz gelaufen sein, da das

über den Menü-Unterpunkt gestartete Visualisierungsprogramm die von ARTM

erzeugte Datei zg**.dmna als Input benötigt (** steht hier für 00 bei nur

einem Gitter und sonst für den Index des Gitters). Die gewünschte Datei muss

in dem sich öffnenden File-Browser ausgewählt (markiert) werden. Bei

größeren Dateien dauert das Laden der Datei unter Umständen eine Weile. Der

Button OK beendet das Programm.

Ergebnisse

Es lassen sich entweder 2d-Verteilungen (oder Zeitreihen44) an den

Beurteilungspunkten visualisieren. Die gewünschte Datei muss in dem sich

öffnenden File-Browser ausgewählt (einfach markiert) werden.

Es lassen sich auch die Ergebnisse einer Dosisberechnung darstellen. Dazu

muss der Unterordner der gewünschten Personenkategorie geöffnet und die

passende Datei ausgewählt werden. Näheres zu den Ergebnisdateien der

Dosisberechnung ist in der Anleitung Dosisberechung-01.pdf

beschrieben. Bei größeren Dateien dauert das Laden der Datei unter

Umständen eine Weile. Der Button OK beendet das Visualisierungsprogramm.

Farbtabellen-Editor

Hiermit lässt sich die Farbdarstellung des Visualisierungsprogramms anpassen.

Hilfe zu GO-ARTM

Inhalt

Funktioniert nur unter Windows XP.

Info

Kurze Information zu ARTM und GO-ARTM

43 Bei einer Ansicht vor einer vollständigen Simulation treten manchmal Probleme beim Öffnen der

Kataster-Datei auf. Dann muss GO-ARTM unter Umständen neu gestartet und die Simulation nochmal

kurz angelaufen lassen werden.

44 Aus bisher ungeklärten Gründen funktioniert die Darstellung der Zeitreihen momentan nicht.


13 Die Hilfsprogramme dmna_kalk.exe und radon.exe

Die Hilfsprogramme dmna_kalk.exe und radon.exe befinden sich im Unterordner

Grs_tools der GO-ARTM-Installation. Dort können sie mit Doppelklick auf das

Programm-Icon aufgerufen werden.

13.1 Hilfsprogramm dmna_kalk.exe

Für den Fall, dass bestehende dmna-Dateien überlagert werden müssen oder wenn

aus mehreren Jahresrechnungen z.B. ein 5-Jahresmittel gebildet werden soll, steht das

Tool dmna_kalk.exe zur Verfügung. Mit diesem Werkzeug können z.B. dmna-Felder

summiert bzw. Mittelwerte oder Maximalwerte bestimmt werden. Mit dmna_kalk.exe

können für eine anzuwählende dmna-Datei aus einem ARTM-Projekt aber auch

Regionen ausgeblendet werden. Dies könnte z.B. das Gebiet innerhalb des

Anlagenzauns eines Kernkraftwerks sein, für das keine Dosis nach Maßgabe von

/AVV 05/ bestimmt werden muss.

Abbildung 2 Startbild des Programms dmna_kalk.exe

Abbildung 2 zeigt die Benutzeroberfläche des Programms dmna_kalk.exe. Über den

Button Dateien auswählen/hinzufügen wird ein File-Explorer aufgerufen, in dem

die gewünschte bzw. die gewünschten Eingabedateien ausgewählt werden können.

Die ausgewählten Dateien werden im rechten großen Fenster aufgelistet. In das

Textfeld Ausgabedatei wird der Name der Datei eingegeben, in welche die


Ergebnisse im dmna-Format geschrieben werden sollen. Wird bei dieser Angabe kein

Pfad angegeben, landet die Ergebnisdatei im Ordner Grs_tools. Über den Button

durchsuchen kann auch eine bereits bestehende Datei über einen File-Explorer als

Ausgabedatei ausgewählt werden. Unter dem Textfeld befindet sich links eine Bullet-

Liste, in der eine Berechnungs-Option ausgewählt werden muss. Folgende Optionen

bestehen:

Summe: Die Daten aus den Eingabedateien werden für jeden Gitterpunkt addiert und

das Ergebnis in die Ausgabedatei geschrieben.

Mittelwert: Der Mittelwert aus den Daten der Eingabedateien wird für jeden

Gitterpunkt gebildet und in die Ausgabedatei geschrieben.

Maximalwert: Der Maximalwert aus den Daten der Eingabedateien wird für jeden

Gitterpunkt gebildet und in die Ausgabedatei geschrieben.

Reziprok: Das Verhältnis der Daten der zwei gegebenen Dateien an jedem

Gitterpunkt wird gebildet und in die Ausgabedatei geschrieben.

Region ausschneiden: Die Daten der im rechten Fenster vorgegebenen

Eingangsdatei werden in den Gitterzellen, deren Mittelpunkte in der vorgegebenen

Region liegen, auf null gesetzt. Die Region wird über eine Polygon-Datei im BLN-

Format (siehe nächster Absatz) vorgegeben. Die Polygon-Datei wird anstelle der

Ausgabedatei vorgegeben. Es kann daher kein neuer Name für die Ausgabedatei

vorgegeben werden, sondern die Eingangsdatei wird überschrieben. Sollen die

Ausgangsdaten erhalten bleiben, muss vorher eine Kopie der Dateien

abgespeichert werden.

Mit dem „Blanking/Boundaray Line“ Format, kurz BLN-Format, Dateinamenerwei-

terung: .bln, kann eine Region innerhalb oder außerhalb eines geschlossenen

Polygons vorgegeben werden. In der ersten Zeile wird die Anzahl der Eckpunkte des

Polygons vorgegeben, wobei der Anfangspunkt, der gleichzeitig der Endpunkt ist,

doppelt gezählt wird und auch in der ab Zeile zwei startenden Liste der Punkte zweimal

angegeben werden muss. In der ersten Zeile ist zudem als zweiter Eintrag noch ein

Flag angegeben, der bestimmt, ob die Region innerhalb oder außerhalb der Grenzlinie

ausgeschnitten (auf null gesetzt) werden soll. Die Region innerhalb der Grenzlinie wird

mit dem Flag größer oder gleich eins adressiert, die Region außerhalb mit null. Die

Lage der Polygon-Eckpunkte wird mit seiner x- und y-Koordinate im internen ARTM-

Koordinatensystem angegeben. Die Syntax der bln-Datei ist in der folgenden Tabelle

noch einmal zusammenfassend dargestellt:


Tabelle 4 Das Blanking/Boundary Line Format bln

1. Zeile npoints flag

npoints : Anzahl der x-/y-Wertepaare zur

Definition der Stützstellen des Polygons

(=Grenze der Region)

flag : hier auf den Wert 2 setzen

2. Zeile x1 y1

erstes Wertepaar mit Koordinaten der ersten

Polygonstützstelle im internen ARTM-

Koordinatensystem (in m)

3. Zeile x2 y2 zweites Wertepaar des Polygonzuges

... ... ...

(npoint+1)-te

Zeile xnpoint ynpoint

letztes Wertepaar des Polygonzuges;

muss gleich dem ersten Wertepaar sein

13.2 Radon-Postprozessor radon.exe

Zur Beurteilung der Strahlenexposition durch Radon-222 spielt der Aufbau der

Zerfallsprodukte, die entsprechend dem in Abbildung 3 dargestellten Zerfallsschema

auftreten, eine wesentliche Rolle, weil das Edelgas Radon selbst durch die Inhalation

lediglich zu einer relativ geringen Äquivalentdosis führt. Die radiologische Bedeutung

beruht vielmehr auf seinen kurzlebigen Zerfallsprodukten Po-218, Pb-214, Bi-214 und

Po-214. Die Konzentrationen dieser Zerfallsprodukte können mit dem Radon-

Postprozessor radon.exe berechnet werden.


Abbildung 3 Radon-222 Zerfallsschema

In Abbildung 4 ist die Eingabemaske des Programms gezeigt. Wie dort ersichtlich

werden zwei Inputdateien aus demselben ARTM Projekt benötigt. Neben der Datei mit

der Konzentration des Radons-222 (rn222e-cncz.dmna) wird zusätzlich die

Konzentration eines (relativ zu Radon) sehr stabilen Nuklids bzw. eines nicht-

radioaktiven Edelgases benötigt. Dieses muss an derselben Stelle wie das Radon mit

der gleichen Quellstärke emittiert werden. Nur eine einzige Quelle ist für diese beiden

Nuklide erlaubt. Aus dem Konzentrationsverhältnis der beiden Nuklide können für jede

Zelle des ARTM-Auszählgitters die mittlere Reisezeit des Rn-222 seit Emission

berechnet und damit die Konzentrationen der Zerfallsprodukte bestimmt werden. Über

die Angabe des Rn-Gleichgewichtsfaktors bei der Emission kann ein Maß

für das Verhältnis zwischen Radon-222 und seinen Zerfallsprodukten vorgegeben

werden. Der Gleichgewichtsfaktor GGF definiert sich wie folgt:

222214

8

214214218 /106379,0516,0105,0

RnPoBiPbPo CCCCCGGF

Die Standardeinstellung des radon.exe Programms für GGF ist Null, also „junges“

Radon-222, dessen Zerfallsprodukte sich noch nicht gebildet haben. Der GGF kann

maximal 1 betragen, wenn sich das Radon im Gleichgewicht mit seinen Folgepro-

dukten befindet.

Rn-222

3,825 d

PB-214

28,8 min

Bi-214

19,7 min

Po-218

3,05 min

Po-214

164 µs

PB-210

21 a

Bi-210

5,01 d

Po-210

138,4 d

PB-206

stabil

kurzlebige

Rn-Folgeprodukte

langlebige

Rn-Folgeprodukte

Radon Zerfallsschema


Abbildung 4 Eingabemaske von radon.exe

Das Programm erzeugt für jedes Folgeprodukt eine eigene dmna-Datei wie sie auch

entstehen würden, wenn man die Nuklide direkt emittiert hätte.

72 Das dmna-Format

14 Das dmna-Format

Alle ARTM-Ausgabefelder (Tabellen) und die optionalen Eingabedateien

zeitreihe.dmna und zg00.dmna sind im dmna-Format geschrieben Die

Dateinamen haben die Dateinamenerweiterung .dmna. Die Dateien enthalten zuerst

einen Kopf (Header), in dem alle Angaben zur Struktur und Darstellung der Tabelle

stehen. Es folgt der Rumpf mit der eigentlichen Tabelle. Dieser Rumpf kann

unmittelbar an den Kopf angehängt sein, wenn die Tabelle formatiert ausgeschrieben

wird. Dann ist die Tabelle, genauso wie der Header, mit einem einfachen Texteditor

lesbar. Bei binärer Darstellung bildet der Rumpf immer eine eigene Datei mit dem

gleichen Namen wie die Header-Datei aber mit der Dateinamenerweiterung .dmnb

statt .dmna. In der Binärdatei stehen die Tabellenelemente so, wie sie intern

dargestellt sind, unmittelbar hintereinander ohne jegliche Steuerzeichen. Ein

Tabellenelement kann eine einzelne Zahl (Datenelement) oder ein Verbund von

mehreren Zahlen (Record) sein.

Im Header bzw. der Header-Dateien ist in jeder Zeile ein Parameter definiert. Der

Name des Parameters steht zu Beginn der Zeile, gefolgt von einem oder mehreren

Werten. Zulässige Trennungszeichen sind Leerzeichen, Tabulator und Semikolon, die

einzeln oder kombiniert verwendet werden können. Die Zeile kann durch LF oder

CR+LF abgeschlossen sein45. Neben den vom Programm benötigten Parametern kann

der Kopf auch weitere Parameter enthalten. Parameter, die das Programm nicht kennt,

werden ignoriert. Der Header endet mit einer Zeile, die zu Anfang einen Stern *,

enthält. Mit der nächsten Zeile beginnt der Rumpf, sofern er mit dem Kopf zusammen

eine einzige Datei bildet. Die (formatierten) Tabellenelemente im Rumpf werden durch

Leerzeichen, Semikolon, Tabulator, CR oder LF getrennt. Die Tabelle wird durch eine

Zeile, die mit drei Sternen *** beginnt, beendet.

Folgende alphabetische Liste gibt die Parameter (mit Datentyp [Anzahl] und

Beschreibung), die im Header der Datei verwendet werden, an. Nicht alle davon

werden bei der Weiterverarbeitung interpretiert. Die wichtigsten sind fett geschrieben.

Dem Programm unbekannte Parameter werden ignoriert. Groß- und Kleinschreibung

beim Parametername ist signifikant. Ist der Parameterwert eine Zeichenkette

45 Bezeichnungen für Zeilenumbrüche (englisch line feed); LF: beispielsweise bei Unix, Linux

Betriebssystemen und CR LF bei Windows.


(string), dann muss diese, wenn sie Leerzeichen enthalten, in Doppelhochkomma

eingeschlossen sein, ansonsten sind die Hochkommata zur Markierung eines string

Wertes optional.

artp string [1]

Art der Tabelle (array type). Gibt an, um welche Art von Werten es sich handelt,

z.B.:

"C" Konzentrationswerte

"E" Fehlerangaben

"S" Strahlung

"W" Windfelder

"XD" trockene Deposition

"XW" feuchte Deposition

axes string [1]

Gibt die Bedeutung der durch i,j,... definierten Indexachsen an (siehe auch

sequ), z.B.

"xyz" kartesische Achsen

"ti" Zeitreihe

d0 float [1]

Verwendete Verdrängungshöhe in Metern. Dieser Parameter wird erzeugt,

wenn eine AKTerm Datei in eine zeitreihe.dmna umgewandelt wird (siehe

Kapitel 6).

data string [1]

Name der Datei, die die eigentliche Tabelle enthält. Ist data nicht spezifiziert

oder hat es den Wert „*“, dann wird bei formatierter Ausgabe die Tabelle in die

gleiche Datei geschrieben wie der Kopf. Bei unformatierter (binärer) Ausgabe

wird der Dateiname des Headers übernommen, und die

Dateinamenerweiterung .dmna durch .dmnb ersetzt. Falls in data eine relative

Pfadangabe gemacht ist, gilt diese relativ zu dem Ordner, in dem der Kopf

gespeichert ist.

DELTA integer [1] oder delta float [1]

Maschenweite des horizontalen Gitters in Metern.

dims integer [1]

74 Das dmna-Format

Anzahl der Dimensionen (maximal 5).

energy float [1]

Energie der Gammastrahlung in MeV (0.1 oder 1.0).

fact float [1]

Faktor, mit dem bei formatierter Ausgabe alle Datenelemente vom Typ float

oder double multipliziert werden, bevor sie im angegebenen Format

ausgeschrieben werden. Bei der Eingabe formatierter Daten werden diese

Datenelemente nach dem Einlesen durch fact dividiert. Der Faktor wirkt nur auf

die Datenelemente, für die in der Formatangabe (siehe form) kein eigener

Faktor angegeben ist.

file string [1]

Name der Datei ohne Dateinamenerweiterung, in der sich der Header befindet.

FOLGE integer [1]

Anzahl der Tagesmittelwerte, die für Mittelung verwendet wurden.

form string [1]

Format, nach welchem bei formatierter Speicherung die Daten abgelegt sind.

Bestehen die Tabellenelemente des gespeicherten Feldes aus mehreren

Datenelementen, dann ist für jedes Datenelement eine Formatangabe

erforderlich, und alle Einzelformate verkettet oder separat hintereinander

geschrieben ergeben den Parameter form.

Format = Format1 Format2 ...

Formati = Name%(*Factor)Length.PrecisionSpecifier

Es bedeuten:

Name Name des Datenelementes (optional).

Factor Skalierungsfaktor (optional einschl. Klammern). Der

Skalierungsfaktor Factor wird genauso gehandhabt wie der

Parameter fact.

Length Länge des Datenfeldes. Die Längenangabe Length ist die Min-

destlänge des Datenfeldes. Sie kann überschritten werden, wenn

dies zur korrekten Darstellung der Zahl erforderlich ist. Zwischen

den Zahlen steht immer mindestens ein Trennungszeichen.

Precision Anzahl der Nachkommastellen (bei float-Zahlen).


Specifier Umwandlungsangabe Folgende Umwandlungsangaben sind

möglich:

Specifier Typ Länge

[Bytes]

Beschreibung

c character 1 Einzelne Buchstaben

d integer 4 Dezimalzahl

hd short 2 Dezimalzahl

x integer 4 Hexadezimalzahl

hx short 2 Hexadezimalzahl

f float 4 Festkommazahl (ohne Exponent)

lf double 8 Festkommazahl (ohne Exponent)

e float 4 Gleitkommazahl (mit Exponent)

le double 8 Gleitkommazahl (mit Exponent)

t integer 4 Zeitangabe (siehe Erläuterungen im Text)

lt integer 8 Zeitangabe (siehe Erläuterungen im Text)

Zeitdarstellung bei Binärausgabe: Bei Zeitangabe t ohne Datum

bezeichnet die Zahl die vergangenen Sekunden. Bei der Angabe lt

wird die Zahl als Zeitangabe mit Datum interpretiert: Die

Vorkommastellen bezeichnen die Anzahl der Tage seit 1899-12-

30.00:00:00 plus 106, die Nachkommastellen den Anteil der

vergangenen Sekunden an diesem Tag.

Zeitdarstellung bei Textausgabe: Bei der Angabe t hat die Zeitangabe

die Form: dd.hh:mm:ss oder hh:mm:ss, bei der Angabe lt die Form

yyyy-mm-dd.hh:mm:ss (Jahr-Monat-Tag.Stunde:Minute:Sekunde,

jeder Buchstabe steht für eine Ziffer)

Gleichartige Formatangaben können zusammengefasst werden:

vx%5.2fvy%5.2fvz%5.2f ist äquivalent zu vx%[3]5.2f

Dabei gilt der angegebene Name nur für das erste Element. Bei den folgenden

Elementen wird der letzte Buchstabe in Name jeweils um eine Stelle im

Alphabet weitergerückt, so dass schließlich der angegebene Ausdruck entsteht.

GAKRX long [1] oder gakrx long [1]

Gauß-Krüger-Rechtswert des verwendeten Koordinatenursprungs.

76 Das dmna-Format

GAKRY long [1] oder gakry long [1]

Gauß-Krüger-Hochwert des verwendeten Koordinatenursprungs.

ggcs string [1]

Kürzel für das verwendete geographische Koordinatensystem (geographic

coordinate system). In ARTM wird nur "GK", also Gauß-Krüger, verwendet.

grdi integer [nm]

Index des Rechengitters. Ist bei ARTM Rechnungen immer 1.

grdl integer [nm]

Nesting-Level des Rechengitters für das die Indizes der nm Monitorpunktlagen

(mnti, mntj) gegeben sind. Das Level 1 steht für das gröbste Rechengitter.

GRUPPEN integer [1]

Anzahl der intern verwendeten Partikelgruppen zur Berechnung der

statistischen Unsicherheit.

ha float [9]

Anemometerhöhen für die neun verschiedenen Rauhigkeitslängen z0 [m]:

0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 . Dieser Parameter wird erzeugt,

wenn eine AKTerm Datei in eine zeitreihe.dmna umgewandelt wird (siehe

Kapitel 6).

hghb integer [dims]

Höchster Indexwert für die verschiedenen Laufindizes.

idnt string [1]

Name des bearbeiteten Projektes. Gleichbedeutend mit KENNUNG.

interval string [1]

Zeitintervall, für das intern die Konzentrationsmittel bestimmt wurden (1 Stunde

im Rahmen der TA Luft).

KENNUNG string [1]

Name des bearbeiteten Projektes. Gleichbedeutend mit idnt.

locl string [1]


Darstellung von Gleitkommazahlen: Durch C (dies ist der Standard) wird

angezeigt, dass ein Dezimal-Punkt verwendet wird, bei german wird ein

Dezimal-Komma verwendet.

lowb integer [dims]

Niedrigster Indexwert für die verschiedenen Laufindizes.

mnti int [nm]

x-Index der nm Monitorpunkte im Rechengitter grdl.

mntj int [nm]

y-Index der nm Monitorpunkte im Rechengitter grdl.

mntk int [nm]

z-Index46 der nm Monitorpunkte in allen Rechengittern.

mntn string [nm]

Namen der Monitorpunkte, wobei die nm Punkte einfach durchnummeriert sind

und die Zahlenwerte als Strings formatiert sind.

mntx float [nm]

x-Positionen der nm Monitorpunkte.

mnty float [nm]

y-Positionen der nm Monitorpunkte.

mntz float [nm]

z-Positionen der nm Monitorpunkte.

mode string [1]

Bei binary sind die Daten unformatiert gespeichert, sonst formatiert.

NAME string [1] oder name string [1]

Nuklidname und physikalische Erscheinungsform (siehe Kapitel 4.3.). Groß-

und Kleinschreibung wird dabei nicht beachtet, sondern der Nuklidname

komplett klein oder komplett groß geschrieben.

PGM string [1]

46 Werden Werte von zweidimensionalen Feldern für die Monitorpunkte ausgeschrieben, also trockene und

nasse Deposition sowie Gammastrahlung, ist der z-Index nicht eindeutig definiert.

78 Das dmna-Format

Programmname des Moduls, das die Lagrangsche Partikelsimulation

durchführt.

pgm string [1]

Programmname des Moduls, das die Gammawolkenstrahlung berechnet.

refdate string [1]

Referenzdatum für T1. Zum Format siehe form Specifier t, Zeitdarstellung bei

Textausgabe.

refv float [1]

Referenzwert für die Auswertung, z.B. für die Festlegung der Farbpalette.

sequ string [1]

Angabe, in welcher Indexfolge die Daten gespeichert sind. Normalerweise läuft

der am weitesten rechts stehende Index am schnellsten (C-Konvention). Dies

entspricht bei einem 3-dimensionalen Feld Aijk der Angabe i+,j+,k+.

FORTRAN speichert gemäß k+,j+,i+. Ein Minuszeichen statt des

Pluszeichens bedeutet, dass der betreffende Index rückwärts läuft. Für eine 2-

dimensionale Tabelle mit Geländehöhen, bei der die Werte so angeordnet sind,

wie es der Lage der Punkte auf der Landkarte entspricht, hat sequ den Wert

j-,i+.

size integer [1]

Länge der einzelnen Daten (record size) in Bytes. Bei formatierter Speicherung

muss die aus der Formatangabe resultierende Summe der Längen der

einzelnen Datenelemente gleich size sein.

SK integer [nz+1]

Vertikales Raster (Begrenzungen der Zellen, nicht die Höhe der

Zellenmittelpunkte) des Rechengitters mit nz Levels.

SSCL integer [1] oder sscl integer [1]

Skalierungsfaktor für nicht geländefolgende Rechennetze.

T1 string [1] oder t1 string [1]

Startzeitpunkt der Simulationsrechnung bzw. Zeitreihe (siehe auch form

Specifier t, Zeitdarstellung bei Textausgabe).


T2 string [1] oder t2 string [1]

Endzeitpunkt der Simulationsrechnung bzw. Zeitreihe (siehe auch form

Specifier t, Zeitdarstellung bei Textausgabe).

undf integer [1]

Wert, der für undefinierte Werte verwendet wird.

unit string [1]

Einheit der Tabellenwerte.

valid float [1]

Anteil des Mittelungsintervalls, auf das sich die Konzentration bezieht, für den

eine gültige Meteorologie vorlag.

vldf string [1]

Flag zur Mittelung der Daten. Es wird für alle Einträge einer Datenstruktur

gekennzeichnet, ob es sich bei dem Wert um ein Volumenmittel (V) oder ein

Punktmittel (P) handelt. Bei Windfeldern werden Komponenten auf dem

Arakawa-C-Netz durch X (Flächenmittel über eine Fläche mit konstanter x-

Koordinate), Y (...) und S bzw. Z gekennzeichnet. Siehe auch AUSTAL2000-

Programmdokumentation.

XMIN integer [1] oder xmin integer [1]

Linker (westlicher) Rand des Rechengitters bezogen auf den durch GAKRX

bestimmten Koordinatendursprung.

YMIN integer [1] oder ymin integer [1]

Unterer (südlicher) Rand des Rechengitters bezogen auf den durch GAKRY

bestimmten Koordinatendursprung.

z0 float [1]

Verwendete Rauhigkeitslänge in Metern. Dieser Parameter wird erzeugt, wenn

eine AKTerm Datei in eine zeitreihe.dmna umgewandelt wird (siehe Kapitel

6).

ZSCL integer [1] oder zscl integer [1]

Skalierungsfaktor für nicht geländefolgende Rechennetze.

80 Das dmna-Format

Beispiel:

Ein Feld von Gleitkommazahlen Aijk = 100i + 10 j + k, i = 1..3, j = 2..4, k = 0..1 wird in

horizontalen Schichten gespeichert:

form "%4.1f"

mode "text"

sequ "k+,j-,i+"

fact 1.000e-001

dims 3

size 4

lowb 1 2 0

hghb 3 4 1

*

14.0 24.0 34.0

13.0 23.0 33.0

12.0 22.0 32.0

14.1 24.1 34.1

13.1 23.1 33.1

12.1 22.1 32.1

***


15 Beispiele

Im Unterordner Projekte der GO-ARTM Installation sind einige Beispielprojekte mit

ihren Artm.txt-Input-Dateien angelegt. Alle für diese Beispielprojekte notwendigen

anderen Input-Dateien (Meteorologie und Geländedaten) sind in den entsprechenden

Unterordnern der Installation vorhanden.

D2m(24)2mmAKT\Artm.txt

Beispielrechnung mit einer 24stündigen Zeitreihe, konstanter Windge-

schwindigkeit von 2m/s aus West und einer Niederschlagsintensität von 2mm/h

Langzeit_o_Gelaende\Artm.txt

Jahresrechnung mit einer AKTerm-Datei. Kein vorgegebenes Geländekataster.

Langzeit_m_Gelaende\Artm.txt

Jahresrechnung mit einer AKTerm-Datei und einem vorgegebene Gelände.

Langzeit_m_Gelaende-aks\Artm.txt

Jahresrechnung mit einer AKS-Datei und einem vorgegebene Gelände.

Gebäude-1\Artm.txt

Beispiel mit Vorgabe eines Gebäudes

Kühlturm\Artm.txt

Beispiel mit Ableitung über einem Kühlturm

DARTM-Test\Artm.txt

Einfache Jahresrechnung, die als Input für DARTM verwendet werden kann

(zusammen mit der Rechnung für die Vegetationsperiode)

DARTM-Test-V\Artm.txt

Einfache DARTM-Rechnung für die Vegetationsperiode, die für die Dosis-

berechnung für das Beispielprojekt DARTM-Test zusätzlich benötigt wird

GRS - A – 3637

Erweiterung und




AVV und SBG

Anhang C

ARTM-Workshop


1

1 ARTM Workshop 24.-25.10.2011

Vom 24. bis 25.10.2011 fand ein Abschlussworkshop zum Vorhaben S05005 beim

Bundesamt für Strahlenschutz in Neuherberg statt. Nach der Begrüßung durch die Herrn

Wildermuth wurden die rund 40 Teilnehmer in zahlreichen Vorträgen durch die GRS und das

BfS über die Weiterentwicklung, Validierung und Anwendung von ARTM informiert. Zudem

wurde das auf ARTM Rechnungen aufbauende, vom BfS entwickelte Dosis-Modul DARTM

vorgestellt. Das Vortragsprogramm wurde abgerundet durch Beiträge zu AUSTAL2000,

weiteren Nutzungsmöglichkeiten von ARTM und zu Benutzeroberflächen zu ARTM. Nach

den Vorträgen und in den Pausen bestand jeweils die Möglichkeit zu Diskussionen, die

ausgiebig genutzt wurden. Im Folgenden werden die Beiträge kurz vorgestellt.

1) Vorhaben S05005 "Erweiterung und Validierung von ARTM für den Einsatz als

Ausbreitungsmodell in AVV und SBG" – Ergebnisse; Reinhard Martens (GRS)

Eine Reihe von Untersuchungen zu und Weiterentwicklungen von ARTM wurden

vorgestellt. (Näheres dazu findet sich in der neuen Programmbeschreibung und im

Abschlussbericht)

In der Diskussion wurden unter anderem die bei ARTM-Rechnungen mit einer

Ausbreitungsklassenstatistik (AKS) erforderliche Festlegung repräsentativer

stündlicher Niederschlagsmengen thematisiert. Bei festgelegten repräsentativen

stündlichen Niederschlagsmengen in den ersten drei Niederschlagsklassen ergibt

sich die repräsentative stündliche Niederschlagsmenge für Klasse 4 mit "> 3 mm/h"

zwanglos als Funktion der der Gesamtjahresniederschlagsmenge.

2) Aktuelles in und um AUSTAL2000; Ulf Janicke (Ingenieur Büro Janicke)

Nicht nur die Entwicklung von ARTM schreitet voran, auch das Ausgangsprogramm

AUSTAL2000 wird weiterentwickelt. Unter anderem ist dort jetzt ein National

Language Support implementiert, sodass AUSTAL2000 in mehreren Sprachen

ausgeliefert werden kann (unter anderem in Englischer Sprache). In AUSTAL2000

2

lassen sich jetzt UTM Koordinaten verwenden und das Rauhigkeitslängen-Kataster

wurde aktualisiert. Das Dateiformat temporärer Dateien wurde komplett auf auf

DMNA-Format umgestellt. Die chemische Umwandlung, die auch die Berechnung von

Zerfallsprozessen ermöglicht, wurde optimiert. Ab 2012 soll es möglich sein, mit

AUSTAL2000 auch nasse Deposition zu berechnen. Ähnlich wie bei ARTM mit der

artm.settings-Datei – können dann in einer ausgelagerten Stoffliste flexibel

Substanzen für die Ausbreitungsrechnung definiert werden. Es wurde angeregt, über

eine Zusammenlegung der Entwicklungsstränge von AUSTAL2000 und ARTM

nachzudenken.

Die bei radioaktiven Stoffen wichtige Berechnung der Gamma-Submersion könnte

dann auf der Basis der berechneten 3-dimensionalen Konzentrationsfelder mit einem

externen Postprozessor ermittelt werden. Ein solcher Postprozessor wird bei LASAT-

Anwendungen eingesetzt und würde vom Ingenieurbüro Janicke zur Verfügung

gestellt werden können.

3) Einfluss der Tubulenzparametrisierung auf die Fahnenaufweitung in ARTM; Reinhard

Martens (GRS)

Untersuchungen zu neuen Turbulenzparametrisierungen in ARTM wurden vorgestellt.

Diese führen zu realistischeren Fahnenbreiten und werden voraussichtlich die

bisherige Standardeinstellung in ARTM ablösen (Empfehlung durch die VDI). Bis

dahin können die neuen Parametrisierungen über NOSTANDARD Optionen beim

Aufruf von ARTM angesteuert werden.

4) Einfluss des Bestimmungsverfahrens für die Diffusionskategorie gemäß KTA 1508

auf die Berechnungsergebnisse von ARTM; Andreas Lochte (BfS)

Die Diffusionskategorie (nach Pasquill, Klassen A-F) der Atmosphäre darf laut KTA

1508 auf vier unterschiedliche Arten je nach Verfügbarkeit verschiedener

meteorologischer Messgrößen bestimmt werden. Die verschiedenen Methoden liefern

teils unterschiedliche Ergebnisse, wenn an einem Ort redundante

Bestimmungsgrößen für die Diffusionskategorie vorliegen. Da die Diffusionskategorie

ein wichtiger Eingabeparameter für die Ausbreitungsrechnung ist, wirken sich deren

Bestimmungsmethode damit auch auf die Ergebnisse von ansonsten gleichen

Langzeit-ARTM-Simulationen aus.

3

In der Diskussion wurde darauf hingewiesen, dass ARTM die Monin-Obukov-Länge

intern als Maß für die atmosphärische Stabilität verwendet, welche wenn möglich

direkt vorgegeben und nicht erst nachträglich aus der Stabilitätsklasse gewonnen

werden sollte.

4) Das ARTM-Internetportal; Reinhard Martens (GRS)

Das ARTM Internetportal (http://www.grs.de/content/ausbreitungsmodellierung) wird

von der GRS gepflegt. Dort befinden sich die aktuellen Programmversionen zum

Download sowie zahlreiche zusätzliche Informationen und Dokumente. Diese Seite ist

auch über den Internetauftritt des BfS erreichbar

(http://www.bfs.de/de/ion/anthropg/artm_modell.html).

In der Diskussion wurde nach einer Linux Version gefragt, die derzeit allerdings nicht

angeboten wird.

6) Das Dosismodul DARTM; Hans Wildermuth (BfS)

Das Dosismodul DARTM dient dazu, die Strahlenexposition aufgrund radioaktiver

Ableitungen über Luft für Referenzpersonen aus 6 Altersgruppen nach der AVV zu §

47 StrlSchV zu berechnen. Vorberechnete Ergebnisfelder aus ARTM-Projekten für

ein ganzes Jahr bzw. für die Vegetationsperiode werden als Eingangsdateien für

DARTM benötigt.

Abschlussdiskussion Tag 1

In der Abschlussdiskussion wurde von Herrn Sogalla (GRS) die Frage an Herrn Janicke (Ing.

Büro Janicke) gerichtet, ob und wie die Ankopplung extern berechneter Windfelder an

AUSTAL2000 möglich ist: Eine Ankopplung ist nur über die dateibasierte Schnittstelle der

Windfeldbibliothek möglich. Dort müssen dann dieselben Dateien vorliegen (k*-, v*-, w*-

DMNA Dateien für verschiedene Windrichtungen und einer Anströmgeschwindigkeit von

1m/s), wie sie ansonsten von TALdia erzeugt werden.

Herr von Haustein (TÜV SÜD) merkte an, dass für die Verwendung von ARTM in der AVV

noch zusätzliche Vorgaben definiert werden müssten, wie z.B. die Größe des

Rechengebietes. Von Herrn Janicke wurde zu diesem Punkt ergänzt, dass für ARTM eine

Richtlinie mit weiteren Infos für die Anwender für die Qualitätssicherung nötig sei. Für

AUSTAL2000-Anwendungen existiert eine entsprechende Anwenderrichtlinie (VDI 3783,


http://www.bfs.de/de/ion/anthropg/artm_modell.html

4

Blatt 13, „Qualitätssicherung in der Immissionsprognose – Anlagenbezogener

Immissionsschutz, Ausbreitungsrechnung gemäß TA Luft“, Januar 2010)

7) Testphase DARTM, Rückmeldungen, Vergleichsrechnungen; Hans Wildermuth (BfS)

In einer bisher sehr kurzen Testphase mit eingeschränkter Teilnehmerzahl konnte

schon ein gewisses Feedback zu DARTM erzielt und teilweise schon auf Wünsche

und Anregungen eingegangen werden. Eine Erweiterung der Testphase mit mehr

Testteilnehmern ist geplant.

Bei Vergleichsrechnungen mit dem Gauß-Fahnenmodell, das gemäß der Allgemeinen

Verwaltungsvorschrift zu § 47 Strahlenschutzverordnung: „Ermittlung der

Strahlenexposition durch die Ableitung radioaktiver Stoffe aus kerntechnischen

Anlagen oder Einrichtungen“ im Gegensatz zu ARTM kein Grenzschichtmodell enthält

und Washout sowie Deposition und Sedimentation nicht berücksichtigt, traten

Unterschiede von bis zu 60% in der durch DARTM berechneten Personendosis auf.

Auf Nachfrage zur Anwenderfreundlichkeit von ARTM vertrat Herr Wildermuth die

Einschätzung, dass ARTM nicht wesentlich schwieriger anzuwenden ist als das

Gauß-Fahnenmodell. Allerdings verhindere die deutlich längere Rechenzeit, dass

man verschiedene Eingangsparameter durch Vergleichsrechnungen optimiert.

8) Anwendung von ARTM und RODOS auf den Unfall von Fukushima; Kathrin Arnold

(BfS)

Die atmosphärische Ausbreitung von Radionukliden verursacht durch den Unfall von

Fukushima wurde mit dem Realtime Online Decision Support System (RODOS) und

ARTM für die Periode vom 23.03.2011 – 06.04.2011 berechnet. Viele

Eingangsparameter für die Simulationen konnten nur geschätzt werden (z.B.

Quellehöhe und Quellstärke, Diffusionskategorie). Es lagen zunächst auch nur

bedingt nutzbare Windmessungen der Betreiberfirma Tepco vor. Mit besseren

Eingangsdaten werden die Simulationsergebnisse, die mit Messungen verglichen

werden können, besser. Da ARTM für solche Kurzzeit Berechnungen auf einem

großen Gebiet nicht ausgelegt ist (unter anderem können keine strukturierten

Niederschlagsfelder verwendet werden), sind die Ergebnisse generell schlechter als

die von RODOS.

5

In der Diskussion wurde angemerkt, dass die Wahl der Diffusionskategorie D über

den gesamten Zeitraum problematisch sein kann, weil das diagnostische

Windfeldmodell TALdia dann kaum einen Geländeeinfluss merkt. Dies kann ein

Grund dafür sein, dass die errechneten Aktivitäten nicht realitätsnäher dem Gelände

folgen.

9) Möglichkeiten der Umsetzung der Störfallberechnungsgrundlagen mit ARTM/DARTM;

Oliver Wallenfang (Gesellschaft für Nuklear-Service mbH, GNS)

Es wurde eine Zusammenstellung präsentiert, welche Aspekte eine Nutzung von

ARTM in den Störfallberechnungsgrundlagen (SGB) bisher verhindern. Unter

anderem ist unklar, wie die Störfallausbreitungsfaktoren in ARTM berücksichtigt

werden könnten.

In der Diskussion wurde darauf hingewiesen, dass das Dosismodul DARTM die

Vorgaben der AVV und nicht die der SGB erfüllen. Unterschiede bestehen hier

insbesondere bei der Behandlung der Ingestion und der Bodenstrahlung.

10) Erfahrungen zur Anwendung der SBG bei anderen kerntechnischen Anlagen als

Kernkraftwerke mit DWR (Anwendung von ARTM bei Kurzzeitereignissen); Olaf

Nitzsche (Brenk Systemplanung GmbH)

Unter anderem wurde ARTM für die Simulation von Kurzzeitereignissen und

Untersuchungen zur Sensitivität der Ergebnisse auf Eingabeparameter vorgestellt.

11) Die Benutzeroberfläche GO-ARTM; Reinhard Martens (GRS); näheres dazu findet

sich in der ARTM Programmbeschreibung

Die Handhabung der im ARTM Programmumfang enthaltenen Benutzeroberfläche

GO-ARTM wurde mittels eines einfachen Beispiels online demonstriert.

12) ARTM View – eine interaktive Benutzer-Oberfläche für ARTM; Wolfram Bahmann

(ArguSoft GmbH & Co KG)

Die kommerzielle Benutzeroberfläche ARTM-View bietet zahlreiche zusätzliche

Features im Vergleich zum bewusst einfach gehaltenen GO-ARTM. Sie ermöglicht

viele graphisch gesteuerte Parametereingaben und Auswertungen der Ergebnisse.

Verschieden Datenbasen für die Geländeprofile können genutzt werden. ARTM-View

verwendet außerdem ein modifiziertes ARTM zum Verkürzen der Rechenzeit, falls

6

dem Anwender eine Rechnerarchitektur mit mehreren (bis zu 8) Prozessoren zur

Verfügung steht. Hierzu werden mehrere Simulationen niedriger Qualitätsstufe

(geringer Partikelzahl) gleichzeitig gerechnet und die Zwischenergebnisse der

Einzelsimulationen in ein Gesamtergebnis umgerechnet. Auch Dosisberechnungen

nach AVV sind mit einem Zusatzmodul möglich.

13) Fortsetzung der Arbeiten zur Erweiterung und Validierung von ARTM; Martin Sogalla

(GRS)

Es wurden die Pläne für die Fortsetzung der Entwicklung und Validierung von ARTM

vorgestellt. Wichtige geplante Erweiterungen betreffen die Berücksichtigung der

Resuspension von radioaktiven Stäuben sowie die Internationalisierung (National

Language Support) von ARTM und GO-ARTM. Für die Validierung ist ein Vergleich

mit Messkampagnen zur Ausbreitung von Spurenstoffen in der Atmosphäre geplant.

Dazu müssen zunächst geeignete Kampagnen identifiziert und die Verfügbarkeit der

Datensätze geprüft werden.

Abschlussdiskussion

In der Abschlussdiskussion wurde betont, dass es sich bei ARTM nicht um ein Modell für den

Notfallschutz handelt, sondern dass es für Langzeit–Ausbreitungsrechnungen nach der

Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zu § 47 StrlSchV und Berechnungen der Konsequenzen

von Auslegungsstörfällen nach den Störfallberechnungsgrundlagen zu § 49 StrlSchV

konzipiert ist.Die geplanten Entwicklungen beziehen sich auf diesen Anwendungsbereich.

Eine Fortsetzung des Vorhabens an der GRS ist erwünscht, unter anderem um eine weitere

Benutzerunterstützung zu gewährleisten. Laut Herrn Wildermuth wünscht sich das BfS als

Nutzer diese Unterstützung ausdrücklich.

Frau Rall (TÜV SÜD) merkte an, dass es wichtig sei, auch periodische Windsysteme wie den

Land-See-Wind berücksichtigen zu können. Dazu wäre es nötig, thermisch induzierte Winde

zu simulieren bzw. ein Vertikalprofil in einer AKTM vorgeben und verwenden zu können.

Herr Lizon Aguilar (STEAG Energy Services GmbH) berichtete über Probleme bei

Rechnungen mit zahlreichen Quellen in Kombination mit vielen verschiedenen freigesetzten

Stoffen. Die Schwierigkeiten treten auf, wenn in der Zeitreihendatei „zeitreihe.dmna“, in der

u.a. quellspezifisch die freigesetzten Stoffe aufgelistet sind, Record-Längen von 3996

Zeichen überschritten werden.

GRS - A – 3637

Erweiterung und

Validierung von

ARTM für den Ein-

satz als Ausbrei-

tungsmodell in AVV

und SBG

Anhang D

Testrechnungen zu

VDI 3783


R. Martens / 08.07.2011

Untersuchung von Möglichkeiten zur Verbesserung

der aktuellen Grenzschichtparametrisierung in

AUSTAL2000 und ARTM nach

VDI 3783, Blatt 8 (2002)

Reinhard Martens

Köln, 08.07.2011

R. Martens / 08.07.2011

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Aufgabenstellung ........................................................... 2

2 Ergebnisse ............................................................................................... 8

2.1 Jahreszeitreihenrechnungen ...................................................................... 8

2.2 ARTM-Rechnungen für 24-stündige Episoden ......................................... 19

3 Schlussfolgerungen, Empfehlung ........................................................ 23

4 Literatur .................................................................................................. 23

R. Martens / 08.07.2011

1 Einleitung und Aufgabenstellung

Während der Arbeitsgruppensitzung NA 134-02-01-35 UA „Turbulenzparametrisierung“

am 28.02/01.03.2011 wurden Möglichkeiten zur Verbesserung der aktuellen Grenz-

schichtparametrisierung nach VDI 3783, Blatt 8 (2002) diskutiert. Eine Möglichkeit wird

darin gesehen, geeignete Korrekturen der empirischen Parameter in den Formeln der

Richtlinie VDI 3783 Blatt 8 vorzunehmen. Siehe hierzu das Protokoll der Arbeitsgrup-

pensitzung NA 134-02-01-35 UA N 0044, zu TOP 5: „Festlegung der nächsten Arbeiten

und Diskussion des weiteren Vorgehens“, hier Nr. 3. „Korrekturen der empirischen Pa-

rameter“:

„Um eine schnelle Umsetzung der von verschiedenen Anwendern (u.a. Landesministerium NRW, Lan-

desämter,, Strahlenschutz) geforderten Korrektur der empirischen Parameter auf Basis der nun vorliegen-

den Daten zu ermöglichen, beschließt die AG, dass diese Korrekturen als NOSTANDARD-Option in

AUSTAL2000 implementiert werden. Eine entsprechende Erklärung bzw. Hilfestellung, unter welchen

Voraussetzungen diese Option zu nutzen ist, muss im zugehörigen AUSTAL-Handbuch, z.B. als Anhang

G gegeben werden. Diese NOSTANDARD-Option kann im Rahmen der regulären Updates durchgeführt

werden und ist (vorerst) ausreichend, weil sie eine kleine Korrektur mit deutlicher Verbesserung darstellt

und die aktuelle Version der VDI 3783 Blatt 8 in vielen Fällen zu guten Anpassungen führt. Diese Kor-

rektur erfüllt die Anforderungen des UBA z.B. für die GIRL; die Herren Martens und Walter prüfen die

Eignung für ARTM. Diese Lösung wird sowohl von den Vertretern des UBA als auch des Bereiches

Strahlenschutz als ausreichend akzeptiert. Das UBA wird die entsprechenden Länderkollegen über die

Vorgehensweise informieren.“

Vor diesem Hintergrund wurden mit Atmosphärischen Radionuklidtransportmodell

ARTM, einem auf AUSTAL2000 aufbauenden Modellsystem zur Berechnung der Radi-

onuklidkonzentrationen betrieblicher Ableitungen radioaktiver Stoffe aus kerntechni-

schen Anlagen, Ausbreitungsrechnungen unter Berücksichtigung nasser Deposition

berechnet. In der Vergangenheit wurden besonders bei nasser Deposition extrem feine

Sternstrukturen der Depositionsfelder beobachtet, die sich darauf zurückführen ließen,

dass sich die laterale Fahnenbreite für große Emissionshöhen unrealistisch langsam

vergrößert.

Es wurden Ausbreitungsrechnungen für die Freisetzung von Cs137 als Schwebstoff

und I131 in organischer Form, das sich wie ein Gas mit trockener und nasser Depositi-

on verhält, durchgeführt.

R. Martens / 08.07.2011

Emissionshöhe: 100 m Höhe über Grund;

Bodenrauigkeit: 0,5 m;

folgende Varianten des atmosphärischen Grenzschichtmodells kamen zum

Einsatz:

a) Standardgrenzschichtmodell in AUSTAL2000 und ARTM nach VDI 3783

Blatt 8 (2002) /VDI 02/, im Weiteren als „VDI“ bezeichnet,

b) Meteorologisches Grenzschichtmodell für Lagrangesche Ausbreitungsmodelle

nach einem Vorschlag von L. und U. Janicke, veröffentlicht in den Berichten

zur Umweltphysik, Nummer 2, Edition 1, 2000 /BZU 00/, im Weiteren als

„BZU2“ bezeichnet,

c) Einfach modifiziertes Grenzschichtmodell nach VDI 3783 Blatt 8, veröffentlicht

in einem weiteren Bericht zur Umweltphysik, Nummer 7, Edition 1, 2011, An-

hang A /BZU 11/, im Weiteren als „BZU7A“ bezeichnet.

In Anhang A dieses BZU-Berichtes wird folgende Änderung der Turbulenzpa-

rametrisierung in VDI 3783, Blatt 8 vorgeschlagen:

1. Der exponentielle Abfall der Geschwindigkeitsfluktuationen wurde

abgeschwächt gemäß

exp(-z/hm) exp(-0,3∙z/hm) (A.29)

für = u, v, w. Mit dieser Änderung ist K exp(-1,2∙z/hm).

2. Der Proportionalitätsfaktor für die horizontalen

Geschwindigkeitsfluktuationen quer zur Windrichtung wurde erhöht gemäß

fv = 1,8 fv = 2,0. (A.30)

Die Meßdaten legen zwar einen noch größeren Wert im Bereich 2,2 bis 2,4

nahe (siehe Anhang D in /BZU 11/), allerdings würde dann in der

Parametrisierung nach VDI 3783 Blatt 8 (Kv ~ v4) die horizontale

Fahnenbreite unter Umständen zu groß werden.

Die ARTM-Rechnungen wurden für alle 3 Grenzschichtparametrisierungen durchge-

führt, und zwar mit einer anonymisierten Jahreszeitreihe meteorologischer Daten

„artm2000.akterm“ mit stündlichen Mittelwerten von Windrichtung, Windgeschwindig-

keit und Diffusionskategorie sowie den stündlichen Niederschlagssummen. Neben die-

sen Zeitreihenrechnungen wurden zusätzlich 24-stündige Episoden berechnet, und

zwar mit konstanten meteorologischen Bedingungen (Diffusionskategorie F entspre-

chend Klug-Manier-Klasse „I“, Windgeschwindigkeit u10 = 2 m/s, Westwind 270°, keine

R. Martens / 08.07.2011

Windrichtungsdrehung mit der Höhe, Niederschlag 2 mm/h) und konstanten Emissions-

raten.

Die zu den drei verwendeten Grenzschichtparametrisierungen gehörenden Profil-

Parameter und Vertikalprofile können Tabelle 1.1 bis Tabelle 1.3 entnommen werden.

Die entsprechenden Vertikalprofile der Standardabweichungen der turbulenten Ge-

schwindigkeitsfluktuationen u, v und w, der turbulenten (Lagrangeschen) Zeitskalen

TLu, TLv und TLw sowie der resultierenden horizontalen und vertikalen Diffusionskoeffi-

zienten Kh und Kv sind in Abbildung 1-1 bis Abbildung 1-3 dargestellt.

"No BLM specified, VDI 3783/8(2002) applied

"- Profil-Parameter

". Version= 2.8, Typ=3, Z0= 0.500 m, D0=3.00 m

" Ha= 10.0 m, Ua= 2.00 m/s, Ra= 270 grd

" Su=-999.000 m/s, Sv=-999.000 m/s, Sw=-999.000 m/s

" Lm= 40.0 m, Hm= 91 m, Kl= 1.0 Klug/Manier

" Us=0.232 m/s, Ni= 2.000 mm/h

" T1=00:00:00 T2=01:00:00

"- Profil und Modellfeld

! k| Z U D Vx Vy Su Sv Sw Tu Tv Tw Kh Kv

"---+----------------------------------------------------------------------------

V 0| 0.0 0.00 270 0.00 0.00 0.54 0.40 0.29 8 4 2 0.69 0.19

V 1| 3.0 0.61 270 0.61 0.00 0.54 0.40 0.29 8 4 2 0.69 0.19

V 2| 6.0 1.22 270 1.22 0.00 0.54 0.40 0.29 8 4 2 0.69 0.19

V 3| 10.0 2.00 270 2.00 0.00 0.52 0.39 0.28 12 7 4 1.03 0.28

V 4| 16.0 2.79 270 2.79 0.00 0.48 0.36 0.26 15 8 4 1.09 0.30

V 5| 25.0 3.75 270 3.75 0.00 0.44 0.33 0.24 15 8 4 0.90 0.24

V 6| 40.0 4.96 270 4.96 0.00 0.37 0.28 0.20 12 7 4 0.53 0.14

V 7| 65.0 6.50 270 6.50 0.00 0.28 0.21 0.15 8 4 2 0.19 0.05

V 8| 100.0 8.07 270 8.07 0.00 0.19 0.14 0.10 4 2 2 0.04 0.02

V 9| 150.0 9.68 270 9.68 0.00 0.11 0.08 0.06 2 2 2 0.02 0.01

V 10| 200.0 10.88 270 10.88 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

V 11| 300.0 12.62 270 12.62 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

V 12| 400.0 13.88 270 13.88 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

V 13| 500.0 14.98 270 14.98 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

V 14| 600.0 16.08 270 16.08 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

V 15| 700.0 17.18 270 17.18 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

V 16| 800.0 18.28 270 18.28 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

V 17| 1000.0 20.47 270 20.47 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

V 18| 1200.0 22.67 270 22.67 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

V 19| 1500.0 25.97 270 25.97 0.00 0.08 0.06 0.04 2 2 2 0.01 0.00

---------------------------------------------------------------------------------

Tabelle 1.1 Profilparameter und Vertikalprofile für Turbulenzparametrisierung nach „VDI“ (VDI 3783, Blatt 8 (2002) /VDI 02/)

R. Martens / 08.07.2011

BLM according to BZU No.2(2000)

- Profil-Parameter

. Version= 2.8, Typ=3, Z0= 0.500 m, D0=3.00 m

Ha= 10.0 m, Ua= 2.00 m/s, Ra= 270 grd

Su=-999.000 m/s, Sv=-999.000 m/s, Sw=-999.000 m/s

Lm= 40.0 m, Hm= 91 m, Kl= 1.0 Klug/Manier

Us=0.232 m/s, Ni= 2.000 mm/h

T1=00:00:00 T2=01:00:00

- Profil und Modellfeld


----+----------------------------------------------------------------------------

V 0| 0.0 0.00 270 0.00 0.00 0.58 0.46 0.30 2 2 2 0.46 0.19

V 1| 3.0 0.61 270 0.61 0.00 0.58 0.46 0.30 3 4 2 0.95 0.19

V 2| 6.0 1.22 270 1.22 0.00 0.58 0.46 0.30 6 9 2 1.89 0.19

V 3| 10.0 2.00 270 2.00 0.00 0.58 0.46 0.29 9 14 4 3.11 0.31

V 4| 16.0 2.79 270 2.79 0.00 0.58 0.46 0.28 13 20 5 4.34 0.37

V 5| 25.0 3.75 270 3.75 0.00 0.58 0.46 0.26 17 27 5 5.82 0.37

V 6| 40.0 4.96 270 4.96 0.00 0.58 0.46 0.24 23 36 6 7.70 0.31

V 7| 65.0 6.50 270 6.50 0.00 0.58 0.46 0.20 30 47 5 10.09 0.20

V 8| 100.0 8.07 270 8.07 0.00 0.58 0.46 0.16 37 58 4 12.53 0.11

V 9| 150.0 9.68 270 9.68 0.00 0.58 0.46 0.11 45 70 3 15.03 0.04

V 10| 200.0 10.88 270 10.88 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

V 11| 300.0 12.62 270 12.62 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

V 12| 400.0 13.88 270 13.88 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

V 13| 500.0 14.98 270 14.98 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

V 14| 600.0 16.08 270 16.08 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

V 15| 700.0 17.18 270 17.18 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

V 16| 800.0 18.28 270 18.28 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

V 17| 1000.0 20.47 270 20.47 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

V 18| 1200.0 22.67 270 22.67 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

V 19| 1500.0 25.97 270 25.97 0.00 0.58 0.46 0.09 49 76 3 16.40 0.02

---------------------------------------------------------------------------------

Tabelle 1.2 Profilparameter und Vertikalprofile für Turbulenzparametrisierung nach „BZU2“ (BZU Nr. 2 (2000) /BZU 00/)

BLM according to BZU No.7 Annex A(2011)

- Profil-Parameter

. Version= 2.8, Typ=3, Z0= 0.500 m, D0=3.00 m

Ha= 10.0 m, Ua= 2.00 m/s, Ra= 270 grd

Su=-999.000 m/s, Sv=-999.000 m/s, Sw=-999.000 m/s

Lm= 40.0 m, Hm= 91 m, Kl= 1.0 Klug/Manier

Us=0.232 m/s, Ni= 2.000 mm/h

T1=00:00:00 T2=01:00:00

- Profil und Modellfeld


----+----------------------------------------------------------------------------

V 0| 0.0 0.00 270 0.00 0.00 0.55 0.46 0.30 8 5 2 1.15 0.21

V 1| 3.0 0.61 270 0.61 0.00 0.55 0.46 0.30 8 5 2 1.15 0.21

V 2| 6.0 1.22 270 1.22 0.00 0.55 0.46 0.30 8 5 2 1.15 0.21

V 3| 10.0 2.00 270 2.00 0.00 0.54 0.45 0.29 14 10 4 1.95 0.35

V 4| 16.0 2.79 270 2.79 0.00 0.53 0.44 0.29 18 13 5 2.48 0.44

V 5| 25.0 3.75 270 3.75 0.00 0.52 0.43 0.28 21 14 6 2.68 0.48

V 6| 40.0 4.96 270 4.96 0.00 0.49 0.41 0.27 22 15 6 2.52 0.45

V 7| 65.0 6.50 270 6.50 0.00 0.45 0.38 0.25 20 14 6 1.98 0.35

V 8| 100.0 8.07 270 8.07 0.00 0.40 0.34 0.22 17 12 5 1.32 0.24

V 9| 150.0 9.68 270 9.68 0.00 0.34 0.29 0.19 12 9 4 0.71 0.13

V 10| 200.0 10.88 270 10.88 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

V 11| 300.0 12.62 270 12.62 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

V 12| 400.0 13.88 270 13.88 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

V 13| 500.0 14.98 270 14.98 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

V 14| 600.0 16.08 270 16.08 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

V 15| 700.0 17.18 270 17.18 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

V 16| 800.0 18.28 270 18.28 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

V 17| 1000.0 20.47 270 20.47 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

V 18| 1200.0 22.67 270 22.67 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

V 19| 1500.0 25.97 270 25.97 0.00 0.31 0.25 0.17 10 7 3 0.45 0.08

-------------------------------------------------------------------------------

Tabelle 1.3 Profilparameter und Vertikalprofile für einfach modifiziertes Grenz-schichtmodell der Richtlinie VDI 3783 Blatt 8 „BZU7a“ (Berichte zur Umweltphysik, Nummer 7, Edition 1, 2011, Anhang A /BZU 11/)

R. Martens / 08.07.2011

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6sigma-u in m/s

0

100

200

300

Hö

he

üb

er

Gru

nd

in

m

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6sigma-v in m/s

0

100

200

300

Hö

he

üb

er

Gru

nd

in

m

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6sigma-w in m/s

0

100

200

300

Hö

he

üb

er

Gru

nd

in

m

Streuung derWindgeschwindigkeitsfluktuation

VDI 3783/8(2002)

BZU 2 (2000)

BZU 7A (2011)

_sigma-uvw(z)_0-300m.GRF

Abbildung 1-1 Vertikalprofile der Streuung der turbulenten Windgeschwindigkeits-fluktuation für Diffusionskategorie F entsprechend Klug-Manier-

Klasse „I“, Windgeschwindigkeit u10 = 2 m/s

0 20 40 60 80TL-u in s

0

100

200

300

Hö

he

üb

er

Gru

nd

in

m

0 20 40 60 80TL-v in s

0

100

200

300

Hö

he

üb

er

Gru

nd

in

m

0 2 4 6 8 10TL-w in s

0

100

200

300

Hö

he

üb

er

Gru

nd

in

m

Turbulente Zeitskala

VDI 3783/8(2002)

BZU 2 (2000)

BZU 7A (2011)

_TL-uvw(z)_0-300m.GRF

Abbildung 1-2 Vertikalprofile der turbulenten (Lagrangeschen) Zeitskalen für Diffusionskategorie F entsprechend Klug-Manier-Klasse „I“,

Windgeschwindigkeit u10 = 2 m/s

R. Martens / 08.07.2011

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6sigma-u in m/s

0

100

200

300

Hö

he

üb

er

Gru

nd

in

m

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6sigma-v in m/s

0

100

200

300

Hö

he

üb

er

Gru

nd

in

m

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6sigma-w in m/s

0

100

200

300

Hö

he

üb

er

Gru

nd

in

m

Streuung derWindgeschwindigkeitsfluktuation

VDI 3783/8(2002)

BZU 2 (2000)

BZU 7A (2011)

_sigma-uvw(z)_0-300m.GRF

Abbildung 1-3 Vertikalprofile der turbulenten Diffusionskoeffizienten für Diffusionskategorie F entsprechend Klug-Manier-Klasse „I“,

Windgeschwindigkeit u10 = 2 m/s

Für alle Ausbreitungsrechnungen mit ARTM wurden die in Tabelle 1.4 dargestellten

Emissionsraten zu Grunde gelegt.

Nuklid Form Bezeichnung

in ARTM

Partikelgröße Emissionsrate

in Bq/s Klasse Bereich in µm

I131 organisch i131r - - 1

Cs137 Schwebstoff cs137a

1 < 2,5 0

2 2,5 … 10 0

3 10 … 50 alternativ 1

4 50 … 100 oder 1

Tabelle 1.4 In den ARTM-Rechnungen verwendete Nuklide mit Emissionsraten

R. Martens / 08.07.2011

2 Ergebnisse

2.1 Jahreszeitreihenrechnungen

Abbildung 2-1 zeigt die aus der meteorologischen Zeitreihe „artm2000.akterm“ ermittel-

ten Häufigkeitsverteilungen von Windgeschwindigkeit und -richtung sowie der Diffusi-

onskategorien und der stündlichen Niederschlagssummen.

Abbildung 2-1 Häufigkeitsverteilungen der Stundenmittelwerte von Windgeschwin-digkeit und Windrichtung in 10 m über Grund sowie der Diffusionska-tegorie und stündlicher Niederschlagssumme

In den folgenden Abbildungen sind für die beiden untersuchten Radionuklide die resul-

tierenden bodennahen Konzentrationsfelder sowie die entsprechenden zweidimensio-

nalen Verteilungen der trockenen und nassen Deposition dargestellt. Abbildung 2-2

enthält die Ergebnisse der Jahresrechnung für die bodennahe Konzentration

I131(organisch) und zwar für die drei in Kapitel 1 beschriebenen Grenzschichtparame-

trisierungen „VDI“, „BZU2“ und „BZU7A“. Abbildung 2-3 und Abbildung 2-4 zeigen die

entsprechenden Verteilungen für die trockene und nasse Deposition.

Abbildung 2-5 bis Abbildung 2-7 zeigen die Verteilungen der trocken und nassen De-

position für Cs137 als Schwebstoff (Korngrößenklasse 3; 10 bis 50 µm). In Abbil-

dung 2-8 bis Abbildung 2-10 sind die entsprechenden Ergebnisse für die trockene und

R. Martens / 08.07.2011

nasse Deposition von Cs137 (Korngrößenklasse 4; > 50 µm) dargestellt. – Es ist zu

beachten, dass ARTM für die Korngrößenklassen 3 und 4 keine Konzentrationsfelder

ausgibt.

Der bei Cs137 für die Korngrößenklasse 4 (> 50 µm) auftretende Ring mit erhöhter tro-

ckener Deposition (Abbildung 2-9) wird durch die den Partikeln anhaftende hohe Sedi-

mentationsgeschwindigkeit vs = 0,15 m/s (TA Luft, Anhang 3, Tabelle 2) verursacht.

Dieser Effekt wird bei Partikeln der Korngrößenklasse 3 (10 bis 50 µm) wegen der ge-

ringeren Sedimentationsgeschwindigkeit (vs = 0,04 m/s) nicht mehr im Rechengebiet

beobachtet.

Die bei nasser Deposition (i131r sowie cs137a bei den Korngrößenklassen 3 und 4) mit

„VDI“ stark hervortretende Sternstruktur tritt bei „BZU7A“ in abgeschwächter Form auf

und ist bei „BZU2“ noch schwächer ausgeprägt. Die immer noch erkennbaren Strahlen

mit hoher nasser Deposition – z.B. nach SSW oder SSO – werden verursacht durch

stabile Wettersituationen (Ausbreitungsklasse II bzw. I) mit geringer Windgeschwindig-

keit (1,3 m/s) und starken Niederschlägen (3 mm/h bzw. 8 mm/h).

Damit erscheint der Einsatz des in /BZU 11/, Anhang A dargestellten vereinfachten

modifizierten Grenzschichtmodells bis zur Revision der VDI-Richtlinie 3783, Blatt 8

(2002) als zwischenzeitliche Übergangslösung einsetzbar.

R. Martens / 08.07.2011

10

Abbildung 2-2 Jahresrechnung Konzentration I131(organisch) mit 1 Bq/s,

Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 50 m, gradgenaue Windrichtung in artm2000.akterm; links: VDI Standardgrenzschichtmodell in AUSTAL2000 und ARTM nach VDI 3783 Blatt 8 (2002) /VDI 02/ Mitte: BZU2 meteorolog. Grenzschichtmodell für Lagrangesche Ausbreitungsmodelle nach BZU, Nr. 2, 2000 /BZU 00/ rechts: BZU7a einfach modifiziertes Grenzschichtmodell nach VDI 3783 Blatt 8 gemäß BZU, Nr. 7, 2011, Anhang A /BZU 11/

R. Martens / 08.07.2011

11

Abbildung 2-3 Jahresrechnung trockene Deposition I131(organisch) mit 1 Bq/s,


R. Martens / 08.07.2011

12

Abbildung 2-4 Jahresrechnung nasse Deposition I131(organisch) mit 1 Bq/s,


R. Martens / 08.07.2011

13

ARTM berechnet keine Konzentrationsfelder

für die Korngrößenklasse 3 (10 bis 50 µm)





Abbildung 2-5 Jahresrechnung Konzentration Cs137 als Schwebstoff (Korngrößenklasse 3 mit 1 Bq/s),


R. Martens / 08.07.2011

14

Abbildung 2-6 Jahresrechnung trockene Deposition Cs137 als Schwebstoff (Korngrößenklasse 3 mit 1 Bq/s),


R. Martens / 08.07.2011

15

Abbildung 2-7 Jahresrechnung nasse Deposition Cs137 als Schwebstoff (Korngrößenklasse 3 mit 1 Bq/s),


R. Martens / 08.07.2011

16

Es werden keine Konzentrationsfelder für

Korngrößenklasse 4 (> 50 µm) berechnet





Abbildung 2-8 Jahresrechnung Konzentration Cs137 als Schwebstoff (Korngrößenklasse 4 mit 1 Bq/s),


R. Martens / 08.07.2011

17

Abbildung 2-9 Jahresrechnung trockene Deposition Cs137 als Schwebstoff (Korngrößenklasse 4 mit 1 Bq/s),


R. Martens / 08.07.2011

18

Abbildung 2-10 Jahresrechnung nasse Deposition Cs137 als Schwebstoff (Korngrößenklasse 4 mit 1 Bq/s),


R. Martens / 08.07.2011

19

2.2 ARTM-Rechnungen für 24-stündige Episoden

Die Auswirkungen der lateralen Fahnenbreite auf das nass deponierte Material auf

dem Erdboden lassen sich besonders gut mit den folgenden Rechnungen demonstrie-

ren:

Es wurde eine 24-stündige Episode mit konstanten meteorologischen Bedingungen

(Diffusionskategorie F entsprechend Klug-Manier-Klasse „I“, Windgeschwindigkeit

u10 = 2 m/s, Westwind 270°, keine Windrichtungsdrehung mit der Höhe, Niederschlag

2 mm/h) und konstanten Emissionsraten unterstellt (siehe Tabelle 1.4).

Anmerkung: Das Auftreten einer solchen Kombination meteorologischer Bedingungen

in der Natur ist unwahrscheinlich.

Wegen der stationären meteorologischen Bedingungen resultiert stationäre Fahne.

Im Falle von Niederschlag entspricht die Flächenverteilung der Deposition weitgehend

der senkrechten Projektion der räumlichen Konzentrationsverteilung der Fahne der in

100 m Höhe freigesetzten Luftschadstoffe auf den Erdboden.

Der Stoff „organisches I131“ verhält sich bei der Ausbreitung wie ein Gas, d.h. das Iod-

Gas sinkt nicht in Folge von Sedimentation abwärts, sondern es gelangt ausschließlich

durch turbulente Vertikaldiffusion zum Erdboden. Bei hinreichend schwacher vertikaler

Diffusion zeigt die resultierende Verteilung des nass deponierten organischen Iods die

gleiche Charakteristik wie die laterale Fahnenbreite in 100 m Emissionshöhe. Die in

Abbildung 2-11 in der oberen Reihe dargestellten Verteilungen der nassen Deposition

sowie der Konzentrationsverteilungen in den Schichten k = 8 (65 bis 100 m; Abbil-

dung 2-11 mittlere Reihe) und k = 9 (100 bis 150 m; Abbildung 2-11 untere Reihe)

spiegeln dieses Verhalten wider. In den anderen Rechenschichten befinden sich ent-

weder gar kein oder nur sehr geringe Mengen organisches Iod:

Turbulenzparametrisierung „VDI“:


überhaupt kein Iod in den Rechenschichten k 7 und k 10.

Turbulenzparametrisierung „BZU2“:


in Rechenschicht k = 7 nur wenige Zellen mit geringen Konzentrationen

R. Martens / 08.07.2011

20

(< 2E-9 Bq/m³);


Turbulenzparametrisierung „BZU7A“:


in Rechenschicht k = 7 wenige Zellen mit geringen Konzentrationen

(< 2E-7 Bq/m³);

in Rechenschicht k = 6 sehr wenige Zellen mit noch geringeren Konzentrationen

(< 5E-9 Bq/m³);


Bei Cs137 mit der Korngrößenklasse 3 (10 und 50 µm) sedimentieren die Schwebstoff-

teilchen und gelangen damit in bodennähere Bereiche mit verstärkter (auch lateraler)

Turbulenz. Dies führt dazu, dass sich bei Cs137(Schwebstoff) grundsätzlich breitere

Verteilungen nass deponierten Materials ergeben als bei dem gasförmigen

I131(organisch). Dies drückt sich qualitativ in Abbildung 2-11 (obere drei Bilder für

I131r) und Abbildung 2-12 (für Cs137) aus.

R. Martens / 08.07.2011

21

Abbildung 2-11 24-Stundenrechnung mit ARTM - nasse Deposition I131(organisch, 1Bq/s) sowie Konzentration in Schicht k=8 (65..100m) und k=9 (100..150m)

Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 20 m,

u10 =2 m/s, Westwind, kein Auswürfeln der Windrichtung aus 10°-Sektor, keine Windscherung, Diffusionskategorie F, Niederschlag 2 mm/h

links: VDI Standardgrenzschichtmodell in AUSTAL2000 und ARTM nach VDI 3783 Blatt 8 (2002) /VDI 02/ Mitte: BZU2 meteorolog. Grenzschichtmodell für Lagrangesche Ausbreitungsmodelle nach BZU, Nr. 2, 2000 /BZU 00/ rechts: BZU7a einfach modifiziertes Grenzschichtmodell nach VDI 3783 Blatt 8 gemäß BZU, Nr. 7, 2011, Anhang A /BZU 11/

R. Martens / 08.07.2011

22

Abbildung 2-12 24-Stundenrechnung mit ARTM - nasse Deposition Cs137 als Schwebstoff (Korngrößenklasse 3 mit 1 Bq/s),

Emissionshöhe 100 m, horizontale Maschenweite 20 m, u10 =2 m/s, Westwind, kein Auswürfeln der Windrichtung aus 10°-Sektor, keine Windscherung, Diffusionskategorie F, Niederschlag 2 mm/h

links: VDI Standardgrenzschichtmodell in AUSTAL2000 und ARTM nach VDI 3783 Blatt 8 (2002) /VDI 02/ Mitte: BZU2 meteorolog. Grenzschichtmodell für Lagrangesche Ausbreitungsmodelle nach BZU, Nr. 2, 2000 /BZU 00/ rechts: BZU7a einfach modifiziertes Grenzschichtmodell nach VDI 3783 Blatt 8 gemäß BZU, Nr. 7, 2011, Anhang A /BZU 11/

R. Martens / 08.07.2011

23

3 Schlussfolgerungen, Empfehlung

Auf Grund der in Kapitel 3 dargestellten Ergebnisse von Ausbreitungsrechnungen mit

ARTM erscheint der Einsatz des in /BZU 11/, Anhang A dargestellten vereinfachten

modifizierten Grenzschichtmodells bis zur Revision der VDI-Richtlinie 3783, Blatt 8

/VDI 02/ als zwischenzeitliche Übergangslösung einsetzbar. Die Anwahl des Grenz-

schichtmodells in AUSTAL2000 und ARTM empfiehlt sich über eine NOSTANDARD-

Option. Diese wurde in einer ARTM-Testversion eingerichtet und soll in AUSTAL2000

ebenfalls installiert werden.

4 Literatur

/BZU 00/ L. Janicke, U. Janicke

Vorschlag eines meteorologischen Grenzschichtmodells für Lagrangesche

Ausbreitungsmodelle, Berichte zur Umweltphysik, Nummer 2, Oktober

2000, Ingenieurbüro Janicke, Alter Postweg 21, 26427 Dunum, Germany

/BZU 11/ L. Janicke, U. Janicke

Einige Aspekte zur Festlegung meteorologischer Grenzschichtprofile und

Vergleiche mit Messungen, Berichte zur Umweltphysik, Nummer 7, Aufla-

ge 1, Februar 2011, Ingenieurbüro Janicke, Hermann Hochweg 1, 88662

Überlingen, Germany

/VDI 02/ Verein Deutscher Ingenieure, Umweltmeteorologie, Messwertgestützte

Turbulenzparametrisierung für Ausbreitungsmodelle, Kommission Reinhal-

tung der Luft im VDI und DIN, VDI 3783, Blatt 8, Dezember 2002, Beuth-

Verlag, 2002

GRS - A – 3637

Erweiterung und




AVV und SBG

Anhang E

Anleitung zur

Dosisberechnung


Vorbemerkung

Das Dosismodul DARTM wurde vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) entwickelt. Die

nachfolgende Anleitung zur Dosisberechnung wurde ebenfalls vom BfS erstellt und

zusammen mit dem DARTM Testprogramm zur Verfügung gestellt.

Anleitung Dosisberechnung1_01.doc 1 von 8

Anleitung zur Dosisberechnung

mit Testversion DARTM1_01

Stand: Dezember 2011 Diese Programmanleitung beschreibt das Dosisprogramm DARTM und liefert eine Benutzungsanleitung ohne die Oberfläche GO-ARTM. Der Aufruf von DARTM mit der graphischen Benutzeroberfläche GO-ARTM ist in der Datei „Anhang_B_Programmbeschreibung.pdf“ der ARTM Programmbeschreibung zu entnehmen. Das Dosisprogramm DARTM ist ausschließlich im Anschluss an das Lagrange-Ausbreitungsmodell ARTM einsetzbar. Kenntnisse in der Anwendung von ARTM und der Struktur seiner Ein- und Ausgabedateien

sind für Benutzer von DARTM Voraussetzung.

Es verwendet Eingabe- und Ergebnisdateien aus ARTM-Rechnungen als Schnittstelle, um die Strahlenexposition aufgrund radioaktiver Ableitungen über Luft für die Referenzpersonen (6 Altersgruppen) nach der AVV zu § 47 StrlSchV (im Folgenden AVV genannt) zu berechnen. Für die Referenzpersonen werden die Organdosen und die Effektivdosis für ein Jahr ermittelt, kürzere Zeiträume können in der aktuellen Version nicht bearbeitet werden. In Abweichung zur AVV wird bei der Berücksichtigung der Bodenakkumulation von einem Jahr ausgegangen(im Gegensatz zu 50 Jahren bei AVV).

Notwendige Eingabedateien für eine Dosisberechnung

Die Steuerung des Dosismoduls orientiert sich an den Ein- und Ausgaben von ARTM und berechnet für alle Referenzpersonen pfadspezifische Teildosen für jeden Gitternetzpunkt einschließlich der Suche nach den Punkten maximaler Exposition (maximale Aufpunkte). 1) Jahresrechnung und Vegetationsperiode

Vor Beginn einer Dosisberechnung müssen alle erforderlichen ARTM-Ergebnisdateien für das Gesamtjahr und für die Vegetationsperiode jeweils in einem Projektordner im Verzeichnis ..\Projekte\... vorliegen. Dies erfordert vor dem Start von DARTM die Durchführung zweier ARTM-Läufe, einen für das Gesamtjahr und einen für die Vegetationsperiode (im Folgenden Rechnung 1 und 2 genannt). In den Ergebnisdateien aus ARTM ist ein Dezimalkomma anstelle des Dezimalpunktes in den Zahlenwerten nicht erlaubt. Für Rechnung 1 mit ARTM sind mindestens eine Textdatei artm.txt und eine meteorologische Jahreszeitreihe(AKTerm) notwendig. Mit diesen Eingabedaten legt ARTM zunächst im Projektordner 1 eine Protokolldatei artm.log und die verschiedenen Ergebnisdateien der Ausbreitungsrechnung an.


Projektordner 1: Dateien aus ARTM-Rechnung für Gesamtjahr

artm.txt artm.log *-Typ.dmna; * = Radionuklidname Typ = cncz/cncz2,dryz,wetz,g01m,g10m Eine Rechnung 2 mit ARTM ist durchzuführen, da die Dosisberechnung nach AVV aus der Vegetationsperiode (Sommerhalbjahr 01. Mai bis 31. Oktober) zur Berechnung der Ingestionsdosis Konzentrationswerte, sowie Depositionswerte der Radionuklide verlangt. Eine vereinfachte Rechnung ohne Kenntnis der Daten aus der Vegetationsperiode, wie in der AVV beschrieben, ist nicht möglich. Die AKTerm für diesen Zeitabschnitt (1.5. – 31.10.) kann aus der Jahreszeitreihe (AKTerm) erstellt werden, in dem in einem Editor die Datenzeilen Mai bis Oktober (Vegetationsperiode) entnommen und als artm_sommer.akterm abgespeichert werden. Akterm-Dateien sind im Verzeichnis ..\Meteodata abzulegen. Der Name für Projektordner 2 darf sich nur im Zusatz von –V am Ende vom Namen für Projektordner 1 unterscheiden, um eine eindeutige Zuordnung der beiden obligatorischen ARTM-Läufe zu ermöglichen. Als artm.txt kann die bereits vorhandene Textdatei aus Rechnung 1 verwendet werden, wenn im Abschnitt Allgemeine Rechenparameter die Parameter ti und az angepasst und im Projektordner 2 als artm.txt abgespeichert werden:

ti “...-V“ az “..\..\Meteodata\artm_sommer.akterm“

Die Rechenzeit und der Speicherplatzbedarf für ARTM-Rechnungen kann mit folgender Option verkleinert werden: NOSTANDARD:CNC2D Es werden 2-dimensionale Konzentrationsfelder anstatt 3-dimensionale Felder berechnet. Diese Option kann für beide ARTM-Rechnungen (Gesamtjahr und Vegetationsperiode) verwendet werden.

Projektordner 2: Dateien aus ARTM-Rechnung für Vegetationsperiode artm.txt artm.log *-Typ.dmna; * = Radionuklidname Typ = cncz/cncz2,dryz,wetz Die Rechenzeit und der Speicherplatzbedarf für ARTM-Rechnungen kann mit folgenden Optionen verkleinert werden:


NOSTANDARD:CNC2D Es werden 2-dimensionale Konzentrationsfelder anstatt 3-dimensionale Felder berechnet. Diese Option kann für beide ARTM-Rechnungen (Gesamtjahr und Vegetationsperiode) verwendet werden. NOSTANDARD:NOGAM Es werden keine �-Submersionausbreitungsfaktoren berechnet, da sie für die Ingestionsdosis nicht relevant sind. Diese Option kann nur für die ARTM-Rechnung Vegetationsperiode verwendet werden. Die Rechenzeit wird dabei erheblich verkürzt. 2) Dosisspezifische Eingangsdateien(mul2011.dat, T2011.dat)

In zwei ASCII-Dateien sind Parameter abgelegt, die zur

Dosisberechnung benötigt werden.

In mul2011.dat werden von ca. 800 Radionukliden für insgesamt 26 Organe/Gewebe/Effektivdosis jeweils für alle Altersgruppen die Dosiskoeffizienten von Inhalation und Ingestion, sowie für die Erwachsenen die Dosisleistungskoeffizienten von �-Submersion, �-Bodenstrahlung und �-Submersion jeweils ohne und mit Tochternukliden aufgelistet. Die nuklidspezifische Zuordnung von Dosiskoeffizienten bzw. Dosisleistungskoeffizienten erfolgt restriktiv: d. h. für jedes Organ/Gewebe/Effektivdosis wird jeweils der größte Dosiskoeffizient aus den Lungenretentionsklassen (fast, moderate, slow) bzw. der größte Dosisleistungskoeffizient aus mit oder ohne Berücksichtigung von Tochternukliden ausgewählt. In der aktuellen Version von DARTM ist eine spezifische Zuordnung dieser Eigenschaften noch nicht möglich. In T2011.dat werden Werte zur Berechnung des Radionuklidtransports über den Ingestionspfad und nuklidspezifische Transferfaktoren, Parameter zu Lebens– und Ernährungsgewohnheiten der Referenzpersonen sowie Organdosisgrenzwerte archiviert. Um die Zuordnung bzw. Editierung der Parameter zu erleichtern, sind die Werte mit Text versehen bzw. besitzen dieselbe oder eine ähnliche Bezeichnung wie in der AVV. Beide Dateien müssen im Projektordner 1 vorliegen. Bei Bedarf kann der Inhalt beider Dateien erweitert, korrigiert, an spezifische Problemstellungen angepasst oder bei Novellierungen der AVV leicht ersetzt werden, wobei die vorgegebene Formatierung einzuhalten ist.


Dosisberechnung mit DARTM

1) Steuerung

Eine Dosisberechnung setzt eine abgeschlossene ARTM-Rechnung für das Gesamtjahr(Projektordner 1) und für die Vegetationsperiode (Projektordner 2) voraus. Ein Großteil der notwendigen Parameter wird durch die abgeschlossenen ARTM-Rechnungen vorgegeben. Durch ARTM werden das Rechengitter, der Zeitraum, die Meteorologie, der Quellterm und Nuklideigenschaften vorgegeben. Das Programm DARTM wird aus dem Verzeichnis Projektordner 1 gestartet durch Doppelklick im Explorer oder im DOS-Fenster oder über GO-ARTM. Aus den Textdateien artm.txt bzw. artm.log im Projektordner 1 werden notwendige Eingabeparameter eingelesen: Aus dem ARTM_Handbuch.doc

ti (1) Zeichenkette zur Kennzeichnung des Projektes. Diese Kennzeichnung wird

in alle bei der Rechnung erzeugten Dateien übernommen.

gx

(1) Rechtswert des Koordinaten-Nullpunktes in Gauß-Krüger-Koordinaten. Die

angegebenen Koordinaten werden bei Bedarf, z.B. zur Berechnung von z0, auf

den dritten Streifen umgerechnet (wird in der Protokoll-Datei vermerkt).

Zulässiger Wertebereich bei Darstellung im dritten Streifen:

3279000 � gx � 3957000.

gy

(1) Hochwert des Koordinaten-Nullpunktes in Gauß-Krüger-Koordinaten (vgl.

gx). Zulässiger Wertebereich bei Darstellung im dritten Streifen:

5229000 � gy � 6120000.

dd

(nn) Horizontale Maschenweite des Rechengitters (Standardwert bei

Rechnungen ohne Gebäude ist die kleinste angegebene mittlere Quellhöhe

hq+0.5*cq, mindestens aber 15 m). Das Rechengitter besteht in x-Richtung

aus nx Gittermaschen beginnend bei x0, entsprechend in y-Richtung.

nx (nn) Anzahl der Gittermaschen in x-Richtung, vgl. dd.

ny (nn) Anzahl der Gittermaschen in y-Richtung, vgl. dd.

Ist der Name vom Projektordner 1 = Arbeitsverzeichnis länger als 75 Zeichen, erfolgt aus technischen Gründen vorzeitiger Programmabbruch.


Auch alle aufgeführten Radionuklidnamen in artm.txt werden eingelesen, wobei DARTM vorzeitigt abbricht, wenn die Radionuklidanzahl 30 überschreitet. Wird die Gitterpunktanzahl 301 von nx oder ny überschritten, erfolgt ebenso vorzeitiger Programmabbruch. In der Version DARTM1_01 ist eine Benutzerabfrage erforderlich, wenn das Radionuklid H-3 W (W als Kennung für die Form als Tritiumwasser) auftritt und die Datei temp.aks mit der Niederschlagssumme für die Vegetationsperiode nicht vorhanden ist. Es wird dann die zur Berechnung notwendige Regenmenge in der Vegetationsperiode abgefragt; ist die Regenmenge unbekannt, wird mit einem Standardwert von 500 mm gerechnet. Ist eine Parameterzuordnung nicht möglich, weil z. B. eine der beiden Dateien nicht existiert oder ein Lesefehler auftritt, kann keine Dosisberechnung durchgeführt werden und das Programm endet vorzeitig. Hinweise zum erfolgten Programmabbruch stehen in der Datei log-doartm1_01.txt. Wird ein Radionuklid aus artm.txt nicht in mul2011.dat gefunden, erfolgt für dieses Radionuklid keine Dosisberechnung und wird in der Datei log-doartm1_01.txt vermerkt. Ist ein Radionuklid aus artm.txt in mul2011.dat vorhanden, in T2011.dat aber nicht aufgeführt, erfolgt nur dann kein Programmabbruch, wenn es sich um ein Edelgas handelt. Während einer Dosisberechnung werden Programminformationen am Bildschirm angezeigt. Nach Abschluss einer Dosisberechnung oder bei vorzeitigem Programmabbruch werden allgemeine Informationen und Erläuterungen zum Rechenlauf in der Datei log-doartm1_01.txt protokolliert. 2) Ergebnisdateien aus DARTM

(MaxRefperson1_01.txt, dx-yy-zS.dmna, dx-26-GS.dmna, u.a.)

Nach Programmende existieren im Projektordner 1 folgende Dateien: MaxRefperson1_01.txt (Tabelle)

Dies ist die wesentliche Ausgabetabelle von DARTM, sie enthält die

Dosis der Referenzpersonen nach AVV.

Für alle Referenzpersonen werden die Punkte der maximalen Organdosen/Effektivdosis über die Teilingestionspfade Pflanze, Blatt, Milch, Fleisch, Muttermilch (nur für Referenzperson 1) und der Summe über die Expositionspfade äußere Strahlenexposition und Inhalation angegeben. Zusätzlich erfolgt für den Expositionspfad


äußere Strahlenexposition und Inhalation die getrennte Ausgabe der Beiträge von Inhalation, Gamma-Submersion, Gamma-Bodenstrahlung und Beta-Submersion. Die pfadspezifische Organdosis/Effektivdosis ergibt sich aus der Summe der Dosisbeiträge über alle Radionuklide; sie wird für jeden Gitternetzpunkt berechnet und anschließend der Punkt mit der höchsten Organdosis/Effektivdosis bestimmt. Zusätzlich wird der Gesamtorgandosiswert sowie der prozentuale Anteil am Grenzwert der jeweiligen Organdosis bzw. der Effektivdosis ausgegeben. Bei hoher Auflösung des Modellgebietes (z. B. 50m-Gitternetz) können die maximalen Dosiswerte an unterschiedlichen Punkten liegen. Der Punkt maximaler externer Exposition und Inhalation, der den Aufenthaltsort der Referenzpersonen beschreibt, liegt normalerweise an einer anderen Stelle, als der von dem die Lebensmittel stammen welche die maximale Ingestionsdosis verursachen. In einzelnen Fällen können auch die maximalen Organdosen an unterschiedlichen Punkten liegen.

Log-doartm1_01.txt

In der Protokolldatei log-doartm1_01.txt stehen Informationen zum Programmablauf, z. B. Programmname, Projektname, Zeitangaben über Start und Ende des Programms, ausgewählte Parameterangaben, Hinweise bei Programmabbruch.

datkopf.dat Um mit dem Grafikmodul GO-ARTM auch alters- und pfadspezifische Dosisverteilungen darstellen zu können, sind sie in der Formatierung identisch mit denen der Feldverteilungen aus ARTM (*.dmna-Dateien). Hierzu wird der Kopfteil aus einer *-cncz.dmna oder *-cncz2.dmna gelesen; * ist der Name des ersten Radionuklids aus artm.txt. Einige Parameter, z. B. unit werden verändert von “Bq/m³“ zu “Sv/a“. Für Kontrollzwecke werden die verwendeten Kopfteilzeilen für Dosisverteilungen in der Datei datkopf.dat hinterlegt. Sie dient damit als zusätzliche Information für Benutzer.


Ist die Dosisberechnung beendet, existiert für jede Referenzperson ein Unterordner mit folgenden Dateien im Projektordner 1: dx-yy-zS.dmna (Feldverteilungen der Organdosen)

dx Referenzperson mit dx = 1 – 6 yy Organ mit yy = 01 – 26, 26 = Effektivdosis zS Expositionspfad mit zS = 1 - 5(6), S für Summendosis

1S = 1 Ingestion Pflanze 2S = 2 Ingestion Blatt 3S = 3 Ingestion Milch 4S = 4 Ingestion Fleisch 5S = 5 Ingestion Muttermilch (nur bei Referenzperson 1) 6S = 6 Summe aus Inhalation, �/�-Submersion, �-Bodenstrahlung

Für jede Referenzperson wird eine Radionuklidsummendosis-Feldverteilungsdatei für jedes Organ/Effektivdosis und den oben erwähnten Expositionspfaden angelegt. Pro Referenzperson werden 26 (für Organ) x 5 oder 6 (für Expositionspfad) = 130 oder 156 Dateien erzeugt. Aus Übersichtsgründen werden diese Dateien für jede Referenzperson in einem Unterordner zum Projektordner 1 abgelegt. Beispiel für Verzeichnisbaum:

Referenzperson : Alter Ref1: <= 1 Jahr Ref2: >1 bis <= 2 Jahre Ref3: >2 bis <=7 Jahre Ref4: >7 bis <= 12 Jahre Ref5: >12 bis <= 17 Jahre Ref6: >17 Jahre


Bereits vorhandene Unterordner mit und ohne Dateien werden bei einem Programmlauf von DARTM überschrieben.

dx-26-GS.dmna

dx Referenzperson mit dx = 1 – 6 26 Effektivdosis GS Gesamtsumme Effektivdosis durch alle Radionuklide und alle Expositionspfade Für jede Referenzperson wird im jeweiligen Unterordner eine Feldverteilungsdatei der Effektivdosis abgelegt, in der die Summe der Effektivdosisbeiträge über alle Radionuklide und Expositionspfade enthalten sind.

Dosisberechnung für Radon-222 in Testversion nicht möglich

Der in der Datei „Anhang_B_Programmbeschreibung.pdf“ zu ARTM beschriebene Postprozessor Radon.exe erzeugt für die Rn-Folgeprodukte DMNA-Dateien der Konzentrationen, die ebenso wie die anderer Radionuklide behandelt werden. Für diese Radonfolgeprodukte, für die keine Depositionswerte vorliegen, ist eine Dosisberechnung mit der Testversion DARTM1_01 zur Zeit noch nicht möglich.

Verteiler

Druckexemplare:

Bundesamt für Strahlenschutz Bundesamt für Strahlenschutz AG-F 1 Postfach 10 01 49 38201 Salzgitter 1 x Bundesamt für Strahlenschutz Fachgebiet SW 1.4 Ingolstädter Landstr. 1 85764 Oberschleißheim (Neuherberg) 1 x Herrn Hans Wildermuth 1 x GRS Bibliothek (hog) 1 x Autoren (brc, sen, thi, rih, Reinhard Martens) je 1 x 5 x Projektleiter (sog) 1 x _____________________________________________________________________ Gesamt 10 x PDF-Version: Bundesamt für Strahlenschutz Bundesamt für Strahlenschutz [email protected] Herrn Hans Wildermuth [email protected] GRS Geschäftsführer (wfp, stj) Bereichsleiter (erv, paa, prg, rot, stc, ver, zir) Projektcontrolling (abt) Abteilung 7020 (sog, brc, sen, thi, rih, Reinhard Martens) TECDO (rop)

Prozesse, Modellkonzepte und sicherheitsanalytische Rechnungen für ein Endlager im Salz

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Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit(GRS) mbH

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GRS - A - 3637 · 2014. 9. 29. · GRS - A - 3637 Gesellschaft für Anlagen-und Reaktorsicherheit...

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